Диссертация (1102884), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В рамках теории динамической дифракции был теоретическипредсказан эффект временного деления коротких лазерных импульсов вфотонном кристалле в геометрии Лауэ [7]. Эффект состоит в разделениипроходящего сквозь фотонный кристалл импульса излучения на два последовательных. Представляет интерес управление длительностью фемтосе-6кундных импульсов: в геометрии Лауэ возможно наблюдение компрессиилазерного импульса при его распространении в фотонном кристалле [8].В рамках эффекта временного деления для каждого из разделённых импульсов возможно наблюдение селективной компрессии и самофокусировки [9] 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 фундаментальныепроблемы 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 измерительные приборы 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 новизна диссертационной работы состоит в следующем:1. Экспериментальнообнаруженэффектдифракционноиндуцированного временного деления лазерных импульсов водномерных фотонных кристаллах, ранее предсказанный аналитически.72. 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.Практическая значимость полученных результатов состоит развитииэкспериментальных подходов по расширению возможностей по управлениюлазерными импульсами при помощи устройств на основе фотонных кристаллов. Важным результатом является усовершенствование метода изготовления фотонных кристаллов на основе пористого кремния и пористогокварца и 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 обусловлена8влиянием 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.Апробация 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.9Глава 1Электромагнитные волны в периодических средах:теоретические и экспериментальные исследования(обзор литературы)В данной главе рассмотрены основные работы в области волновой оптики периодических сред.
Сопоставлены результаты, полученные в началесередине ХХ века в рентгеновской оптике с новыми результатами исследований оптики фотонных кристаллов. Рассказано об основных методахрасчета оптических характеристик периодических сред, включая аналитические и численные методы. Приведен обзор теоретических и экспериментальных результатов исследований в области динамической дифракции впериодических структурах.§ 1.1.Электромагнитные волны в периодических средахДинамическая дифракция электромагнитных волн в периодическихструктурах известна более 100 лет и впервые наблюдалась в рентгеновскомдиапазоне [10]. За прошедшее время теория дифракции рентгеновских лучей в кристаллах существенно расширилась [4].
При описании рентгеновской дифракции можно использовать два подхода: кинематическую и динамическую теории [11]. Кинематическая теория дифракции рассматриваетрассеяние излучения на каждом элементе объёма. Рассматривается взаимодействие атомов только с первичной волной, взаимодействие с волнами,рассеянными другими атомами, игнорируются [12]. Динамическая теориярассматривает все взаимодействия волн во всём объёме кристалла.Принято различать два геометрических случая динамической брэгговской дифракции излучения в кристаллическом теле: отражение (геометрия Брэгга) и прохождение (геометрия Лауэ) [11, 12]. Схематичное изображение этих двух случаев приведено на рис. 1.1.При выполнении условия Вульфа-Брэгга:kℎ = k0 + h(1.1)10(а)kh(б)θhk0hθk0k0hθθhk0khРис.
1.1 : Геометрия Брэгга (а) и геометрия Лауэ (б) при динамической дифракции волн впериодических средах.где k0 , kℎ - волновые вектора падающей и дифрагированной волн,h вектор обратной решётки, рассматривают двухволновое приближение[13, 14]: одна прошедшая волна, одна дифрагировавшая. Причём прошедшая волна не является непосредственным продолжением падающей волны,а состоит из суперпозиции рассеянных волн. Двухволновое приближениесвязано с выполнением условия фазового синхронизма: вектор обратнойрешетки замыкает только один треугольник синхронизма (рис.
1.2 а), изакон сохранения импульса не позволяет существовать другим волнам. Вслучае нарушения этого условия, например, в случае достаточно тонкогокристалла, наблюдается режим дифракции Рамана-Ната (см. напр. [15]).(a)k0θ(б)khВакуумФКОтрицательноенаправление(в)Падающееизлучениеhk0ПоложительноенаправлениеРис. 1.2 : Фазовый синхронизм при динамической дифракции (а), численное моделированиемаятникового эффекта в двумерном фотонном кристалле [6]: половина (б) и полный периодперекачки энергии между модами кристалла (в).11Прямой задачей динамической теории дифракции является определение амплитуд прошедшей и дифрагировавшей волн и их волновых векторов.
[13, 14].Теория динамической дифракции имеет существенно более широкуюобласть применимости и не ограничивается только рентгеновской оптикой.Далее будет показано, что схожие эффекты и явления могут наблюдаться не только при распространении рентгеновских лучей в обычных кристаллах, но также при распространении волн любой природы (радиоволн,света, нейтронов и других волн) в периодических средах при периоде среды близком к длине волны рассматриваемого излучения соответствующегодиапазона. Периодические структуры оптического диапазона называютсяфотонными кристаллами (ФК). Термин был введён в работах Яблоновича [1] и Джона [16] в 1987 году и первоначально относился только ктрёхмерным оптическим периодическим средам.Различные эффекты динамической дифракции первоначально были открыты в рентгеновской оптике, например, эффект Боррманна,впервые экспериментально обнаруженный Герхардом Боррманном (G.Borrmann) в 1941 году [17, 18] и состоящий в аномальном пропускании рентгеновского излучения сквозь кристалл.
Причина данного эффекта состоитв формировании внутри кристалла двух мод излучения: боррманновскойи антиборрманновской, что происходит при падении излучения c длинойволны под углом при выполнении условия Брэгга = 2 sin , - постоянная кристаллической решетки. Пучности одной из мод приходятся наузлы решетки - атомы, и потому эта мода поглощается. Пучности другоймоды приходятся на межатомные промежутки, поэтому данная мода проходит сквозь кристалл. Впервые подобное объяснение было дано Максомфон Лауэ в рамках динамической теории дифракции [19].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
