Автореферат (Динамика оптических импульсов при брэгговской дифракции в геометрии Лауэ в линейных и нелинейных фотонных кристаллах)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиСкорынин Александр АндреевичДИНАМИКА ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ БРЭГГОВСКОЙДИФРАКЦИИ В ГЕОМЕТРИИ ЛАУЭ В ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХСпециальность 01.04.05 – ОптикаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорМанцызов Борис ИвановичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорМаймистов Андрей Иванович,НИЯУ МИФИкандидат физико-математических наук,Карташов Ярослав Вячеславович,старший научный сотрудник, ИСАНВедущая организация:НИЦ «Курчатовский институт»Защита состоится 27 июня 2013 г.

в 11-30 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.67 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-2, Москва,Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, дом 1, строение 2, физическийфакультет, физическая аудитория имени Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотекеМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» мая 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.67,к. ф.-м.

н., доцентКоролев А.Ф.Актуальность работыВ настоящее время все большее значение в науке и технике приобретаетиспользование коротких импульсов лазерного оптического излучения. Такиесигналы используются для передачи и обработки информации, дляисследования и модификации материалов. Поиск новых методов генерации иуправления параметрами коротких лазерных импульсов является актуальнойзадачей. Одним из наиболее перспективных направлений её решения являетсяисследование оптических явлений, возникающих при брэгговской дифракцииизлучения в периодических структурах.С момента появления искусственных одно-, двух- и трехмерных структурс периодом модуляции оптических свойств порядка длины волны видимогосвета – фотонных кристаллов (ФК), наиболее широко экспериментально итеоретически были исследованы задачи, связанные с брэгговской дифракциейна отражение (геометрия Брэгга).

Отличительной чертой этой геометриидифракции в ФК является наличие особой спектральной области – фотоннойзапрещенной зоны (ФЗЗ), в которой падающее излучение эффективноотражается, проникая в структуру на относительно малую глубину. За счетрешеточной дисперсии, вызванной дифракцией на периодической структуре,внутри ФЗЗ и в её окрестностях, наблюдается ряд линейных и нелинейныхэффектов, которые были хорошо изучены и в настоящее время нашлипрактическое применение.Кроме геометрии Брэгга, при описании распространения излучения впериодических структурах выделяют схему на прохождение (геометрия Лауэ).В этой геометрии отсутствует ФЗЗ – падающее излучение даже в спектральнойобласти наиболее сильной решеточной дисперсии распространяется сквозьструктуру.

Динамическая дифракция в этой геометрии приводит квозникновению маятникового эффекта, заключающегося в периодическойперекачке энергии проходящих и дифрагированных волн с расстоянием. Посравнению с геометрией Брэгга, теоретическим и экспериментальнымисследованиям брэгговской дифракции оптического излучения в ФК вгеометрии Лауэ уделялось значительно меньше внимания. Преимущественнорассматривались структуры с толщиной не более нескольких периодовмаятникового эффекта: тонкие структуры с большой величиной модуляциипоказателя преломления и протяженные структуры с малой величиной3модуляции. Это может быть связано с технологической сложностьюизготовления ФК, обладающих высоким контрастом показателя преломления ибольшими пространственными размерами, а также ограниченностьюсуществующих подходов к описанию распространения оптического излученияв таких структурах.Динамика излучения при линейной дифракции в геометрии Лауэрассматривалась в ФК с малой величиной модуляции показателя преломления,где были обнаружены маятниковый эффект [1], компрессия чирпированногоимпульса [2] и модуляция его профиля [3].

В тонких ФК с большой величиноймодуляции была исследована локализация поля излучения, показаны наличиемаятниковогоэффектаивозможностьуправлениянаправлениемраспространения импульсов [4, 5]. В работе [6] был теоретически предсказанэффект дифракционного деления пространственно неограниченного импульсапри дифракции в геометрии Лауэ в нелинейном ФК, в виде брэгговскойрешетки из тонких слоев резонансных примесей. Наличие этого эффектадифракционного деления импульса (ДДИ) для случая линейного ФК былопредсказано в работе [7], в которой была предложена динамическая теориядифракции имеющая ряд ограничений, в частности, она не позволялаопределить возможность экспериментального наблюдения эффекта иограничивалась рассмотрением только s-поляризованного падающегоизлучения.В настоящее время, в связи с появлением эффективных методовизготовления протяженных ФК высокого оптического качества с достаточнобольшой величиной контраста показателя преломления ( ∆n / n ~0.1), возрастаетинтерес к возможности обобщения динамической теории дифракции на случайпространственно ограниченных импульсов и пучков оптического излучения,что позволит описать распространение излучения в реальных образцах ФК.Важной задачей становится исследование динамики лазерного излучения приэффекте ДДИ в ФК с учетом поляризационной чувствительности, а такжепространственной локализации поля и компрессии импульсов.

Интереспредставляет рассмотрение особенностей ДДИ при динамической дифракции вгеометрии Лауэ в ФК с нелинейностью, в том числе кэрровского типа, а такжевозможность образования солитонов.Таким образом, актуальность диссертационной работы обусловленашироким кругом фундаментальных и прикладных задач, связанных спроблемами управления динамикой и параметрами оптических импульсов.4Решение этих задач является важным шагом для создания на основе ФКкомпактных эффективных устройств, предназначенных для использования воптических системах связи и лазерной технике.Цель и задачи диссертационной работыЦелью диссертационной работы является исследование динамикиоптических пространственно ограниченных импульсов и пучков прибрэгговской дифракции в геометрии Лауэ в линейных и нелинейных фотонныхкристаллах с большой величиной контраста показателя преломления (~0.1).Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решеныследующие задачи.1.

В наиболее общем виде получить теоретическое описание динамическойбрэгговской дифракции пространственно ограниченных волновых пакетов вгеометрии Лауэ в линейных одномерных ФК c большой модуляциейпоказателя преломления. В рамках этой теории исследовать динамику поляпри ДДИ, получить зависимость величины эффекта от параметровструктуры и падающего излучения.2. Исследовать компрессию частотно-модулированных импульсов ипоперечное сжатие волновых пакетов с пространственной модуляцией фазы,при динамической брэгговской дифракции в ФК.3. Исследовать динамику поля в ФК при большом числе периодовмаятникового эффекта и получить оценку возможности использования такихструктур для реализации полностью оптического переключения.4.

Исследовать пространственное распределение поля при эффекте ДДИ дляограниченного импульса и пространственное деление пучка в ФК с большойвеличиной модуляции. Рассмотреть возможность наличия оптическогоэффекта Бормана в таких структурах.5. Рассмотреть в рамках двухволнового подхода динамику импульсов вгеометрии Лауэ в ФК с кубической нелинейностью. Исследоватьчисленными методами солитоноподобные режимы распространенияимпульсов, возникающих при ДДИ в таких структурах.Научная новизна работыНаучная новизна результатов работы заключается в следующем.1. Впервые получено описание распространения ограниченных импульсов ипучков при динамической брэгговской дифракции в геометрии Лауэ в52.3.4.5.линейных одномерных ФК c относительно большим контрастом показателяпреломления.Теоретически предсказаны новые эффекты при динамической дифракции вФК в геометрии Лауэ: дифракционное деление пространственноограниченного импульса, селективная компрессия и селективнаяфокусировка фазомодулированных импульсов.Впервые проведено исследование поляризационной чувствительностиэффекта ДДИ в ФК и показано, что в результате деленияплоскополяризованного импульса внутри структуры образуются от двух дочетырех импульсов.Впервые показана возможность эффективного переключения направленияраспространения излучения оптического импульса при наличии большогочисла периодов маятникового эффекта в ФК с большим контрастомпоказателя преломления.Предсказано возникновение Лауэ-солитона при динамической дифракции вгеометрии Лауэ в кубически нелинейном ФК.Практическая значимость работыИсследованные в работе эффекты дифракционного деления импульсов,селективной компрессии и фокусировки лазерных импульсов, а такжемаятниковый эффект, являются перспективными в плане практическогоприменения в таких областях как нанофотоника, телекоммуникации,информационные системы, лазерная техника.