Автореферат докторской диссертации (1097545)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиМАНЦЫЗОВ Борис ИвановичДИНАМИКА НЕЛИНЕЙНЫХ УЕДИНЕННЫХ ВОЛНИ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯВ ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХСпециальность 01.04.05 -оптикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМОСКВА -2006Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М. В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор В.
А. Беляковдоктор физико-математических наук,профессор А. И. Маймистовдоктор физико-математических наук,профессор А. С. ЧиркинВедущая организация:Институт спектроскопии РАНЗащита состоится « 18 » мая 2006 г. в 16 часов на заседании Диссертационногосовета Д 501.001.67 в Московском государственном университете им.М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г.
Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д.1, стр.2.физический факультет, ауд. им. Р.В.Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д.1, стр.2.Автореферат разослан 10 апреля2006 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук,доцентКоролев А.Ф.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена теоретическому исследованию нелинейно-оптическихявлений, возникающих при взаимодействии мощного лазерного излучения срезонансной и квадратично-нелинейной периодическими средами в условияхбрэгговской дифракции.Актуальность темы.
Одной из важнейших задач физики является изучениераспространения волн различной физической природы в веществе. Знаниезакономерностей этих процессов позволяет эффективно управлять генерациейизлучения, его параметрами и динамикой распространения. Особую роль здесьиграют периодические среды, обладающие пространственной дисперсией.
К нимотносятся как природные материалы, например, кристаллы, так и искусственносозданные для различных прикладных целей структуры: брэгговские зеркала дляселективного отражения волн определенного частотного диапазона, структуры сраспределенной обратной связью для полупроводниковых лазеров, кристаллы срегулярнойдоменнойструктуройдляэффективногопараметрическогопреобразования частоты оптического излучения, фотонные кристаллы и др. Вплотьдо начала 80-х годов ХХ века распространение волн в средах с периодическираспределенными неоднородностями традиционно связывалось с существованиемселективных частотных запрещенных зон, в пределах которых волны не могутраспространятьсявсредеииспытываютполноеотражениенаграницепериодической структуры. Это справедливо, например, для рентгеновскогоизлучения (область селективного брэгговского отражения), для волн электронов иквазичастиц в кристаллах (запрещенные энергетические зоны), а также дляоптических и акустических волн в слоистых средах.Дальнейшие исследования показали, что запрет на распространение волн вобласти селективных брэгговских частот имеет место лишь в приближениилинейного взаимодействия волн со средой, когда справедливы дисперсионныесоотношения, следующие из линейной теории дифракции.
Развитие нелинейнойтеории брэгговской дифракции мощного оптического излучения в средах скубической, резонансной и квадратичной нелинейностями позволило по-новому3взглянуть на динамику оптических волн в периодических структурах. Оказалось, чтовозможно нелинейное подавление полного брэгговского отражения интенсивноголазерного излучения на границе структуры, а в линейно запрещенной фотонной зонемогут распространяться нелинейные уединенные волны – брэгговские солитоны.Они обладают рядом уникальных для оптических импульсов свойств: малаяскорость распространения вплоть до остановки света, захват возмущенныхсолитонов структурой и неупругое взаимодействие с ними свободных солитонов,эффективное управление динамикой медленных интенсивных импульсов света спомощью слабых возбуждений структуры, задержанное отражение оптическихимпульсовнелинейнымиструктурамиидр.Причемисследованиянеограничиваются случаем брэгговской геометрии дифракции, описана нелинейнаядинамика оптических импульсов и пучков в случае дифракции по схеме Лауэ,активноизучаютсятакжепространственныедискретные,пространственно-временные и вихревые солитоны в различных периодических структурах.Дополнительный интерес к этим проблемам был вызван появлениемконцепции фотонных кристаллов, которая в значительной степени стимулируетразвитие технологий получения линейных и нелинейных одно-, двух- и трехмерныхпериодических структур высокого оптического качества, в том числе оптическихструктурированныхволокон.Основнымсвойствомфотонныхкристаллов,обеспечивающим формирование полностью запрещенной фотонной зоны длянекоторого интервала частот в любом направлении в кристалле, является высокийконтраст модуляции коэффициента преломления.
Такие структуры позволяютувеличить в десятки раз энергию поля оптического излучения в среде вблизи краяфотонной запрещенной зоны, что в свою очередь значительно увеличиваетэффективность нелинейного параметрического преобразования частоты излучения втонких фотонных кристаллах. Кроме того, большая пространственная дисперсия иналичие набора блоховских мод с волновыми векторами, определяемыми векторамиобратной решетки, открывают дополнительные возможности для реализацииусловий синхронной генерации нелинейных сигналов.
Этим объясняется большойинтерес к традиционным для нелинейной оптики задачам по параметрическомупреобразованию частоты излучения, вынужденному комбинационному рассеянию идр. в фотонных кристаллах.4Большоеколичествоипостоянныйростчислапубликацийэкспериментальных и теоретических результатов в этой области позволяют сделатьзаключение, что за последние 15 лет в оптике сформировалось и активно развиваетсяновое направление исследований: оптика фотонных кристаллов. Исследованиядинамики формирования и распространения нелинейных уединенных волн, а такжедругих нелинейно-оптических явлений в структурах с линейно запрещеннымифотонными зонами имеют большое значение для углубления фундаментальныхзнаний о процессах взаимодействия излучения с веществом, они стимулируютприкладные исследования и разработки в различных областях оптики, лазернойфизики и нанотехнологий.Цель диссертационной работы состояла в разработке теоретических методовисследования нелинейно-оптических явлений, возникающих при распространениилазерногоизлученияврезонансныхиквадратично-нелинейныхфотонныхкристаллах в условиях брэгговской дифракции, в том числе:1.
В создании нелинейной динамической теории брэгговской дифракциикогерентного оптического излучения в резонансных фотонных кристаллах.2. В исследовании динамики формирования и распространения брэгговскихсолитонов самоиндуцированной прозрачности в линейно запрещенной фотоннойзоне.3. В развитии теории нестационарных нелинейных уединенных волн вфотонных кристаллах.4. Всозданиинелинейнойтеориибрэгговскойдифракциивслучаенеколлинеарной геометрии взаимодействия волн.5. В исследовании динамики солитонов самоиндуцированной прозрачности вусловиях Лауэ-геометрии дифракции лазерного излучения в резонансных фотонныхкристаллах.6. В исследовании механизмов повышения эффективности параметрическоговзаимодействия волн в квадратично-нелинейных фотонных кристаллах.Научная новизна работы определяется впервые полученными в процессевыполнения исследований новыми результатами и состоит в следующем:51.
Создананелинейнаядинамическаятеориябрэгговскойдифракциикогерентного излучения в дискретном резонансном фотонном кристалле (ФК),позволяющаясединыхпозицийрассматриватьлинейные,нелинейныеинестационарные оптические волновые процессы в таких структурах.2. Предсказаны явления нелинейного подавления полного брэгговскогоотражения лазерного излучения от резонансного ФК и распространения брэгговскихсолитонов самоиндуцированной прозрачности в линейно запрещенной фотоннойзоне периодической структуры.3. Найдены аналитические выражения для описания нелинейных уединенныхволн в резонансных ФК с неоднородно уширенной спектральной линией и в случаемалого отклонения от точного условия Брэгга, а также в структурах с непрерывнымпространственным распределением концентрации резонансных атомов.4. Развита теория нестационарных нелинейных уединенных волн, полученыаналитическиевыражения,описывающиединамикуплененныхираспространяющихся осциллирующих солитоноподобных импульсов в ФК.5.
Детальнопроанализированыпроцессывзаимодействиябрэгговскихсолитонов с локализованными слабыми возбуждениями в ФК и показанавозможность эффективного управления динамикой мощных оптических импульсовпосредством взаимодействия с малыми возмущениями.6. Построена нелинейная теория дифракции в случае неколлинеарнойгеометрии взаимодействия волн и предсказаны нелинейный эффект Бормана и Лауэсолитон.7. Получены новые модифицированные условия фазового синхронизма дляограниченных ФК, записанные не для точных значений эффективных волновыхвекторов отдельных блоховских мод, а для центров результирующих спектральныхлиний взаимодействующих волн.8.
Предсказано значительное возрастание эффективности параметрическогопреобразованиячастотыизлучениявквадратично-нелинейномФКприодновременном выполнении условий квазисинхронизма и несинхронного усилениятрехволнового взаимодействия.В диссертации сформулированы и обоснованы научные результаты и выводы,совокупность которых представляет собой основу нового научного направления:6динамика нелинейных уединенных волн в структурах с линейно запрещеннымифотонными зонами.Научная и практическая значимость работы.
Полученные в диссертациирезультаты представляют возможности для развития новых теоретических иэкспериментальных методов управления параметрами и динамикой распространенияимпульсов лазерного излучения на основе нелинейно-оптических явлений вфотонных кристаллах. Практически могут быть использованы:- предложенный способ нелинейного просветления резонансного ФК и пороговыйхарактер этого явления, а также возможность формирование брэгговского солитонаопределенной формы из импульсов произвольного вида для фильтрации ипреобразования формы лазерных импульсов; предсказанные эффекты задержанногоотражения и прохождения импульсов в ФК, а также нелинейный эффект Борманадля создания компактных линий задержки;- устойчивые к возмущению плененные структурой уединенные волны, неупруговзаимодействующие со свободными солитонами, для разработки новых принциповоптической записи, считывания и хранения информации;- возможность управления динамикой мощного импульса брэгговского солитонапосредством слабого линейного возмущения или малой некогерентной инверсииатомов без введения необратимых дефектов в структуру ФК для разработкиполностью оптических переключателей;- методикарасчетамодифицированныхусловийфазовогосинхронизмавограниченном ФК для расчета оптимальных условий синхронизма в ФК;- предложенныеспособыповышенияэффективностипараметрическогопреобразования частоты при одновременном использовании квазисинхронного инесинхронного механизмов усиления нелинейного взаимодействия для созданиякомпактных частотных преобразователей с размерами порядка десятков микрон иэффективностью более 10%.Основные положения, выносимые на защиту1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
