Автореферат (Динамическая дифракция фемтосекундных лазерных импульсов в одномерных фотонных кристаллах)

На правах рукописиСвяховский Сергей ЕвгеньевичДинамическая дифракция фемтосекундныхлазерных импульсов в одномерных фотонныхкристаллахСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре квантовой электроники физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательногоучреждения высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова"Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентМурзина Татьяна ВладимировнаОфициальные оппоненты: Горелик Владимир Семенович,доктор физико-математических наук,профессорФедеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук,заведующий лабораторией.Мерзликин Александр Михайлович,кандидат физико-математических наукФедеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки Институт теоретическойи прикладной электродинамики Российскойакадемии наук (ИТПЭ РАН),старший научный сотрудник.Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институтим.

А.Ф. Иоффе Российской академии наукЗащита состоится 22 мая 2014 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университетеимени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы,МГУ, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В.Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).Автореферат разослан "Ученый секретарьдиссертационного совета501.001.31, к.ф.-м.н."201 г.Коновко Андрей АндреевичОбщая характеристика работыДиссертационная работа посвящена исследованию распространения лазерных импульсов фемтосекундной длительности в фотонных кристаллах вусловиях Брэгговской динамической дифракции в геометрии Лауэ. Основные результаты работы опубликованы в статьях [1-3] и сборниках трудов[4-13].Актуальность проведенных в работе исследований во многом обусловлена растущим интересом к оптике фотонных кристаллов (ФК) - структурс периодической пространственной модуляцией показателя преломления спериодом порядка длины волны видимого света.

Фотонные кристаллы являются объектом интенсивных исследований на протяжении более двухдесятилетий. Так например, благодаря наличию фотонной запрещеннойзоны, т.е. диапазона частот, в котором невозможно распространение светавнутри кристалла, поэтому возможна реализация различных интересныхэффектов: изменение плотности оптических мод [14], усиление линейныхи нелинейных оптических эффектов, таких как генерация второй и третьей оптической гармоники, эффект Фарадея [15], рамановское рассеяние[16].

Рассмотрение периодической структуры фотонного кристалла ведётсяв терминах физики твёрдого тела: для периодической структуры используется теорема Блоха и вводятся энергетические зоны. Альтернативнымподходом к описанию оптических эффектов в фотонных кристаллах является теория динамической дифракции [17], хорошо разработанная длядифракции рентгеновского излучения на кристаллических телах.В рамках динамической теории дифракции в фотонных кристаллах были обнаружены эффекты, ранее наблюдавшиеся в рентгеновской оптике:эффект Боррманна [18] и маятниковый эффект [19].Особый интерес представляет оптика сверхбыстрых процессов, динамика распространения фемтоскеундных импульсов и возможность управления ими. В рамках теории динамической дифракции был теоретическипредсказан эффект временного деления коротких лазерных импульсов вфотонном кристалле в геометрии Лауэ [20].

Эффект состоит в разделениипроходящего сквозь фотонный кристалл импульса излучения на два последовательных. Представляет интерес управление длительностью фемтосекундных импульсов: в геометрии Лауэ возможно наблюдение компрессиилазерного импульса при его распространении в фотонном кристалле [21].В рамках эффекта временного деления для каждого из разделённых импульсов возможно наблюдение селективной компрессии и самофокусировки [22] в случае, когда исходный импульс имеет квадратичную модуляциюфазы во временной или пространственной области, соответственно. Экспериментальное обнаружение и исследование данных эффектов являетсяактуальным, поскольку позволит пролить свет как на фундаментальные3проблемы фемтосекундной оптики фотонных кристаллов, так и поможетдобиться прогресса в области прикладных задач по управлению сверхкороткими лазерными импульсами.Цель работы состояла в исследовании оптических эффектов, возникающих при динамической дифракции фемтосекундных лазерных импульсовв одномерных фотонных кристаллах на основе пористого оксида кремния(пористого кварца) в геометрии Лауэ.Обоснованность и достоверность полученных в работе результатовподтверждается, прежде всего, соответствием экспериментально полученных результатов и их теоретического описания.

Экспериментальные результаты согласуются с результатами численного моделирования путёмпрямого решения уравнений Максвелла методом конечных разностей вовременной области. Все используемые в экспериментах измерительныеприборы были протестированы и откалиброваны, их инструментальная погрешность определялась независимо в ходе тестовых экспериментов с заведомо предсказуемыми результатами. Эксперименты выполнялись многократно с повторяемыми результатами. Результаты опубликованы в рецензируемых журналах, обсуждены на международных конференциях, семинарах.Научная новизнадиссертационной работы состоит в следующем:1.

Экспериментальнообнаруженэффектдифракционноиндуцированного временного деления лазерных импульсов водномерных фотонных кристаллах, ранее предсказанный аналитически.2. Обнаружена поляризационная зависимость эффекта временного деления лазерных импульсов при динамической дифракции света в одномерных фотонных кристаллах.3. Впервые исследована селективная компрессия боррманновского и антиборрманновского импульсов при реализации эффекта временногоделения в условиях динамической дифракции фемтосекундных лазерных импульсов с квадратичной модуляцией фазы в одномерныхфотонных кристаллах.4. Впервые изготовлены одномерные фотонные кристаллы из пористогокремния и пористого кварца, сохраняющие периодичность на протяжении тысяч слоёв.4Практическая значимость полученных результатов состоит в развитии экспериментальных подходов по расширению возможностей по управлению лазерными импульсами при помощи устройств на основе фотонныхкристаллов.

Важным результатом является усовершенствование метода изготовления фотонных кристаллов на основе пористого кремния и пористого кварца, состоящих из большого числа периодов, что перспективно длясоздания на их основе устройств фотоники.Защищаемые положения:1. Метод изготовления одномерных фотонных кристаллов на основе пористого кремния и пористого кварца позволяет изготавливать образцы, структура которых насчитывает до 5000 слоев с контрастом показателя преломления между соседними слоями более 0.4 (для пористого кремния) и более 0.2 (для пористого кварца).2. В фотонных кристаллах при динамической брэгговской дифракциив геометрии Лауэ возможно наблюдение эффекта дифракционноиндуцированного временного деления фемтосекундных лазерных импульсов.3.

В одномерных фотонных кристаллах на основе окисленного пористого кремния поляризационная зависимость эффекта временного деления импульсов при динамической дифракции в геометрии Лауэ существенно зависит от поляризации исходного импульса и обусловленавлиянием двух факторов: решёточной анизотропии фотонного кристалла и материальной анизотропии пористого кварца.4. Прираспространениивфотонномкристаллечастотномодулированных фемтосекундных импульсов оптического излучения в геометрии Лауэ проявляется эффект селективного сжатияимпульсов, сформировашихся в результате эффекта дифракционноиндуцированного временного деления импульсов.Личный вклад автора.

Все полученные в работе результаты являются оригинальными и получены лично автором. Вклад автора заключалсяв проведении всех представленных в оригинальной части работы экспериментальных исследований и численного моделирования, создании всехописанных экспериментальных установок и написании программного кодадля численного моделирования.Публикации.

Основные результаты, полученные в данной работе, опубликованы в трёх статьях, список которых приведён в конце автореферата.5Апробация работы. Результаты работы представлены на 27 докладахна всероссийских и международных конференциях, наиболее значимыеиз которых: SPIE Optics+Photonics 2010 (Сан Диего, США), Frontiers inOptics 2011 (Сан Хосе, США), Laser Optics 2012 (Санкт-Петербург, Россия), 50 Years of Nonlinear Optics (2012 г., Барселона, Испания), Frontiers inOptics 2012 (Рочестер, США), ICONO LAT 2013 (Москва, Россия), Frontiersin Optics 2013 (Орландо, США). Список основных опубликованных тезисовдокладов приведён в конце автореферата.Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитированной литературы.

Работа состоит из 137 страниц и содержит 79 иллюстраций, 2таблицы и 134 библиографических ссылки.Содержание работыВведение. Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели и задачи исследования, приводятся положения, выносимыена защиту, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, приводятся сведения о публикациях результатов работы, апробации иструктуре диссертации.Глава 1 "Электромагнитные волны в периодических средах: теоретические и экспериментальные исследования (обзор литературы)".В главе рассмотрены основные работы в области волновой оптики периодических сред.

Сопоставлены результаты, полученные в начале-серединеХХ века в рентгеновской оптике с новыми результатами исследований оптики фотонных кристаллов. Рассказано об основных методах расчета оптических характеристик периодических сред, включая аналитические ичисленные методы. Приведен обзор теоретических и экспериментальныхрезультатов исследований в области динамической дифракции в периодических структурах.Динамическая дифракция электромагнитных волн в периодическихструктурах известна более 100 лет и впервые наблюдалась в рентгеновскомдиапазоне [23]. За прошедшее время теория дифракции рентгеновских лучей в кристаллах существенно расширилась [17].