Нелокальность оптического отклика атомарных газов, одномерных фотонных кристаллов и тонких металлических пленок

На правах рукописиКОЗЛОВ АЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧНЕЛОКАЛЬНОСТЬ ОПТИЧЕСКОГО ОТКЛИКА АТОМАРНЫХГАЗОВ, ОДНОМЕРНЫХ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВИ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОКСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2004Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Андреев Анатолий ВасильевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Акципетров Олег Андреевичдоктор физико-математических наук,профессор Маймистов Андрей ИвановичВедущая организация:Защита состоится « 20Институт спектроскопии Российской Академии наук»мая2004 года в15.00часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, ул.

Академика Хохлова, д. 1,Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан « 13 » апреля2004 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,доцентТ.М. Ильинова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы.В последние годы большой интерес вызывают исследования нелинейнооптических эффектов в изотропных средах, запрещенных свойствами симметриисреды. К таким эффектам относится, например, генерация “запрещенной” второйгармоники в атомарных газах.Известно, что в изотропных средах генерация второй гармоники запрещена вэлектродипольном приближении.

Генерация второй гармоники также запрещена вовсех порядках мультипольного разложения, если со средой центросимметричныхатомов взаимодействует плоская электромагнитная волна. Тем не менее, генерациявторой гармоники в таких средах все еще возможна за счет пространственнонелокальных взаимодействий атомов среды с пространственно-неоднороднымлазерным полем. Простейшим примером пространственно-неоднородного поляявляется суперпозиция двух плоских волн распространяющихся под углом друг кдругу. Другим, совершенно естественным и часто встречающимся примером являетсяжестко сфокусированный лазерный импульс.О генерации второй гармоники в атомарных газах сообщалось в целом рядеработ.

Для объяснения экспериментальных результатов было предложено несколькотеоретических моделей. Среди недостатков этих моделей, следует отметить ихстационарность во времени, а также справедливость лишь в полях умереннойинтенсивности. Поэтому развитие теоретических моделей описывающих динамикупространственно-нелокальных взаимодействий атомов с сильным лазерным полемявляется актуальной задачей.Пространственно-неоднородные поля естественным образом возникают водномерных фотонных кристаллах.

Исследования оптических свойств фотонныхкристаллов весьма актуальны сейчас с точки зрения различных технологическихприложений. Отдельный интерес представляют собой исследования нелинейнооптических процессов второго порядка в фотонных кристаллах, слои которыхизготовлены из изотропных материалов. В таких материалах нелинейно-оптическиепроцессы второго порядка запрещены в электродипольном приближении. В связи с3этим, генерация второй гармоники или суммарной частоты в фотонных кристаллах сизотропными слоями оказывается возможной или вблизи границы раздела слоев, гдесвойства симметрии граничащих сред нарушаются, или в объеме слоев фотонногокристалла за счет пространственно-нелокальных взаимодействий атомов среды сполем.Для описания нелокально-оптического отклика атомарных сред, необходимоучесть изменение электромагнитного поля в пределах электронных оболочек атомов.Часто бывает достаточным учесть это изменение с точностью до первой производнойпо пространству от потенциалов электромагнитного поля.

В сущности, такоеприближение учитывает лишь первый член в разложении отклика среды по маломупараметру пространственной дисперсии. Однако, существуют ситуации, когданеобходимо учитывать следующие, более высокие члены разложения для откликасреды. Более того, существуют ситуации, когда отклик среды не может бытьпредставлен в виде указанного разложения, по причине отсутствия малого параметра.Такие ситуации возникают при рассмотрении оптического отклика наноразмерныхэлектронных систем, например, сверхтонких металлических пленок толщиной всего внесколько атомных слоев.Оптический отклик сверхтонких металлических пленок является существеннонелокальным и во многом определяется коллективными свойствами электроннойподсистемы.

Его корректное описание возможно лишь в рамках подхода, которыйсамосогласованнымобразомучитываетвзаимодействиеэлектроновсэлектромагнитным полем индуцируемым электронной подсистемой. Развитие такихподходов является очень важным для понимания многих удивительных свойствсверхтонких металлических пленок.Цели и задачи диссертационной работы.1.Исследовать влияние пространственной неоднородности поля на нелинейнооптическийоткликатома.Разработатьсамосогласованнуюмодельописывающую динамику пространственно-нелокальных взаимодействий атома сполем.2.Рассчитатьугловыегенерируемыхвспектрыпроцессеизлучениявзаимодействия4второйиизотропнойтретьейсредыгармониксдвумяультракороткими лазерными импульсами распространяющимися под углом другк другу.3.Исследовать генерацию суммарной частоты в одномерном фотонном кристалле сизотропными слоями при неколлинеарной геометрии взаимодействия волн.Сравнить поверхностный и объемный механизмы генерации суммарной частоты.4.Исследовать линейно-оптические свойства сверхтонких металлических пленок врамкахсамосогласованноймикроскопическойтеории,учитывающейсущественно нелокальный и коллективный характер электронного отклика.Определитьспектрчастотколлективныхэлектронныхвозбужденийвсверхтонких металлических пленках.Научная новизна работы.1.Предложенамодельдвухуровневомнелокальныхвзаимодействияприближениивзаимодействий,атомаописываетсизлучением,динамикуобусловленнуюкотораявпространственно-изменениемнаселенностиатомных уровней.2.Выполнен сравнительный анализ поверхностного и объемного механизмовгенерации волны суммарной частоты в одномерном фотонном кристалле сизотропными слоями.3.Впервые исследован процесс возбуждения неоднородной электромагнитнойволны в одномерных фотонных кристаллах в процессе четырехволновогосмешения.4.В рамках самосогласованной теории функционала плотности, рассмотреновзаимодействие сверхтонкой металлической пленки с электромагнитным полемимеющим одновременно как продольную, так и поперечную составляющие.5.Вычисленспектрчастотколлективныхвозбужденийвсверхтонкихметаллических пленках, и показано, как этот спектр трансформируется сизменением толщины пленки, включая предельный переход к однородномуэлектронному газу.5Научная и практическая значимость работы.1.Показано, что учет динамики населенностей атомных уровней в процессевзаимодействия изотропной среды с суперпозиционным полем двух плоскихволн распространяющимися под углом друг к другу приводит к качественнымизменениям угловых спектров излучения второй и третьей гармоник.2.Показано, как с помощью неколлинеарной геометрии взаимодействия волнмогут быть достигнуты оптимальные условия для генерации волны суммарнойчастоты в одномерном фотонном кристалле.3.Показана возможность управления распределением поля в слоях одномерногофотонного кристалла с помощью возбуждения различных волноводных мод впроцессах трех- или четырехволнового смешения.4.Учет на микроскопическом уровне как продольной, так и поперечнойсоставляющих электромагнитного поля взаимодействующего со сверхтонкойметаллической пленкой позволил представить результаты в терминах строговычисленных коэффициентов отражения, прохождения и поглощения.5.Установленрядуниверсальныхсвойствлинейно-оптическогооткликасверхтонких металлических пленок при возбуждении нечетных продольныхколлективных мод.Защищаемые положения.1.Учет динамики населенностей атомных уровней в процессе взаимодействияизотропнойсредыссуперпозиционнымполемдвухплоскихволнраспространяющимися под углом друг к другу приводит к появлению новыхспектральных компонент в угловом спектре излучения второй и третьейгармоник.2.Оптимальным условием для получения наиболее эффективной генерации волнысуммарной частоты в одномерном фотонном кристалле является совпадениерезонансов пропускания на краях запрещенных зон фотонного кристалла длявсех трех взаимодействующих волн.3.В одномерном фотонном кристалле может быть реализовано возбуждениеволноводных мод в процессе нелинейно-оптического взаимодействия волн.

Дляэтого необходимы две или более волны накачки, падающие на структуру под6различными углами, а также необходимо, чтобы частота возбуждаемых модопределялась разностью хотя бы двух частот волн накачки.4.Учет взаимодействия электронов с собственным полем электронной подсистемыприводит не только к изменению положения резонансов в спектре поглощенияэлектромагнитного излучения сверхтонкой металлической пленкой, но и кувеличению количества резонансов в три раза.5.При возбуждении нечетных продольных коллективных мод, сверхтонкаяметаллическая пленка не может поглощать более половины потока энергиипадающей на нее электромагнитной волны.

В условиях, когда коэффициентпоглощения металлической пленки достигает максимума и равняется 0.5,коэффициенты отражения и прохождения оказываются равными 0.25.6.В предельном переходе от двух- к трехмерному электронному газу, объемныйплазмон появляется в результате возникновения эффективной связи междуодночастичными электронными возбуждениями с фиксированным изменениемимпульса электронов равным импульсу фотонов.Апробация результатов работы.Основные результаты диссертационной работы отражены в публикациях вспециализированных ведущих научных журналах “Квантовая электроника”, “Journalof Optical Society of America B”, “Physical Review B” и докладывались намеждународных конференциях: “Фундаментальные Проблемы Оптики” (СанктПетербург, 2000), “XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics”(Минск, Беларусь, 2001), “International Quantum Electronics Conference” (Москва,2002), “European Quantum Electronics Conference” (Мюнхен, Германия, 2003), “IXInternational laser physics workshop” (Бордо, Франция, 2000), “Научной сессии МИФИ”(Москва, 2000), семинарах кафедры общей физики и волновых процессовфизического факультета МГУ им.

М.В. Ломоносова. По материалам диссертацииопубликовано 10 печатных работ (5 статей и 5 тезисов докладов).Личный вклад автора.Все результаты диссертационной работы получены автором лично.7Структура и объем работы.Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения исписка цитируемой литературы. Объем работы составляет 131 страницу, включая28 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 82 наименования, включая5 авторских публикаций.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационнойработы, сформулированы цели работы, отмечены научная новизна и практическаязначимость, приведены защищаемые положения и кратко изложено содержаниеработы по главам.Первая глава представляет собой краткий литературный обзор посвященныйэффектам нелокальности оптического отклика в атомарных газах, одномерныхфотонных кристаллах и сверхтонких металлических пленках.