Диссертация (1335833), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Демонстрация генерации импульса ТГц излучения в газовой среде была впервые осуществлена вработах [37], [38]. В качестве основных механизмов генерации предлагалось действие пондеромоторных сил на электроны плазмы, излучение кильватерных волн, возникающихи затухающих в плазме в результате прохождения фемтосекундного импульса [39–41],и черенковское излучение, обусловленное быстро распространяющимся ионизационнымфронтом [42].Поскольку газовые среды обладают центром инверсии, нелинейные процессы второго порядка в них запрещены, но нет никаких ограничений на проявление нелинейныхпроцессов третьего порядка. Это дало ключ к дальнейшему развитию источников ТГц излучения на базе плазмы оптического пробоя.
Так, был реализован механизм оптическоговыпрямления фемтосекундного импульса в присутствии постоянного электрического поля[43, 44], а также был предложен механизм четырехволнового выпрямления на нелинейности третьего порядка: Ω = + − 2 [45].В экспериментальных работах по генерации ТГц излучения в газовых средах было обнаружено, что эффективность преобразования в низкочастотное излучение резко возрастает, если интенсивность возбуждающего оптического импульса становится достаточной дляфотоионизации газа. Этот результат связали с возникновением направленного импульсафототока, обусловленного дрейфом фотоэлектронов, покидающих атом в результате ионизации в оптическом поле, содержащем две частоты [46].
Таким образом, было высказанопредположение, что генерация терагерцового излучения связана с особенностями нелинейной проводимости среды. Управление фазовыми, временными и поляризационнымихарактеристиками возбуждающего оптического импульса позволяло управлять характеристиками излучаемого терагерцового импульса, как было показано на ряде примеров[47–49].Доля ионизированных молекул (либо атомов) газа при оптическом пробое фемтосекундными лазерными импульсами зачастую невелика и может достигать долей процентаили нескольких процентов в зависимости от режима фокусировки. Большая часть атомови молекул среды остается при этом нейтральной.
Поэтому процесс генерации терагерцового излучения содержит вклады как нелинейной поляризации, обусловленной откликом7связанных электронов в нейтральных молекулах и атомах, так и нелинейной проводимостью, определяемой свободными электронами, покидающими молекулы при фотоионизации. Несмотря на то, что каждый из этих вкладов был в той или иной мере изучен вотдельности, недостаточно внимания уделялось их сравнению по двум важнейшим характеристикам излучения - спектру и поляризации. В настоящей работе показано, что поляризация излучения, определяемая двумя этими вкладами, различна. Поэтому экспериментально наблюдаемое состояние эллипса поляризации терагерцового импульса проливаетсвет на доминирущий вклад в излучение из плазмы оптического пробоя при конкретныхусловиях.Следует отметить также, что задача исследования состояния поляризации импульсного ТГц излучения является нетривиальной, поскольку излучение обладает очень широкимспектром: в случае генерации в плазме оптического пробоя при использовании лазерныхимпульсов длительностью порядка 120 фс спектр излучения простирается от 0.5 до примерно 10-15 ТГц, что составляет более четырех октав частоты.
В случае отличия состоянияполяризации такого излучения от линейной, будет недостаточно измерения зависимостиэнергии ТГц излучения сквозь ТГц анализатор от его ориентации. Для анализа состоянияполяризации такого импульса необходимо получать информацию о фазе всех частотныхкомпонент такого импульса, либо восстанавливать временную зависимость вектора электрического поля в некоторой точке пространства.Кроме того, на настоящий момент поляризационная оптика для широкополосноготерагерцового излучения еще находится в самом начале своего развития. Управление состоянием поляризации излучения требует либо использования фазовращающих ТГц элементов, либо переюстировки ряда элементов оптической схемы.
Поэтому весьма актуальноисследование способов чисто оптического управления состоянием поляризации терагерцового излучения, которое оказывается возможным для генераторов ТГц излучения в плазмеоптического пробоя.Возникающая при фокусировке фемтосекундного излучения плазма является нестационарной нелинейной средой, изменяющей свойства распространяющихся в ней оптического и терагерцового излучения. Поляризация компонент оптического излучения преобразуется по мере распространения, и условия генерации ТГц излучения в различных участках плазмы неодинаковы.
Поэтому поляризация терагерцового излучения есть отражениене только основного механизма нелинейности, но и процессов, связанных с распростра8нением электромагнитного излучения сквозь газово-плазменную среду. Дополнительнуюинформацию о нелинейных процессах, протекающих в плазме, можно получить из анализаполяризации оптического излучения, покидающего область взаимодействия: изменяетсяполяризация первой и второй гармоник лазерного излучения, наблюдается генерация комбинационных частот.Для терагерцового излучения приосевая область плазмы достигает закритическойплотности, и является препятствием для его распространения. Поэтому еще одна важнейшая характеристика ТГц излучения - пространственный профиль его интенсивности- также определяется свойствами плазменного облака вблизи перетяжки.
Одна из главданной работы посвящена экспериментальному исследованию пространственного профиля интенсивности ТГц излучения.Важно отметить, что плазма оптического пробоя газов - не единственная система,в которой генерация терагерцового излучения при взаимодействии с фемтосекунднымиоптическими импульсами обусловлена как нелинейной поляризацией среды, то есть нелинейным откликом связанных электронов, так и её нелинейной проводимостью. Еще однимпримером таких веществ, в которых может происходить генерация терагерцового излучения, являются плёнки диоксида ванадия.Интерес к генерации терагерцовых импульсов в тонких проводящих пленках связанс поиском новых компактных источников излучения.
Некоторое время назад появилсяряд работ по генерации в тонких плёнках металлов при их взаимодействии с излучениемтитан-сапфирового лазера [50–52], в частности в области малых толщин вблизи перколяционного перехода в изолирующее состояние [53], [54]. Нелинейный отклик свободныхэлектронов на поверхности металлов, обусловленный с нарушением симметрии и снятиемзапрета на протекание нелинейных процессов второго порядка [52, 55, 56], считается однойиз основных причин данного явления.
В теоретических моделях этот процесс был впервыерассмотрен еще в 60ых годах Бломбергеном [57]. Тем не менее, сверхтонкие металлическиеплёнки, в особенности вблизи перколяционного фазового перехода из непроводящего состояния в металлическое, являются не очень удобными объектами исследования ввидутрудности их получения и сохранения их свойств в лабораторных условиях. Более практично рассматривать вместо них модельную систему - тонкие плёнки диоксида ванадия.Это вещество испытывает фазовый переход из непроводящего состояния в проводящеепри температуре 68∘ С. Фазовый переход первого рода и изменение соотношения между9связанными и свободными электронами при этом легко индуцировать нагревом образца.В настоящей работе впервые рассматривается явление генерации ТГц излучения в плёнках диоксида ванадия в двух фазовых состояниях при самовоздействии в них излучениятитан-сапфирового лазера, и обнаруживается, что этот нелинейный процесс происходит внепроводящей и проводящей фазе неодинаково.Как и для плазмы оптического пробоя газов, анализ состояния эллипса поляризациитерагерцового излучения дает информацию о роли проводимости среды в процессах, приводящих к генерации терагерцового излучения в плёнках диоксида ванадия.
Эта общаяидея объединяет исследование генерации терагерцового излучения в газовых средах, гдесвободные носители заряда рождаются в течение взаимодействия вещества с оптическимполем, и пленках VO2 , где эти носители уже существуют в среде, но их количеством можноуправлять с помощью изменения температуры.Таким образом,тематика диссертационной работы является важной и востребованнойдля практического применения и в области фундаментальных исследований.Тем не менее, сверхтонкие металлические плёнки, в особенности вблизи перколяционного фазового перехода в непроводящее состояние, являются не очень удобными объектами исследования ввиду трудности их получения и сохранения их свойств в лабораторныхусловиях. Гораздо более удобными для исследований являются тонкие плёнки диоксидаванадия - материала, который испытывает фазовый переход из непроводящего состояния в проводящее при температуре 68∘ С, лишь незначительно превышающей комнатную.Фазовый переход первого рода при этом легко индуцировать и исследовать различнымиоптическими и электрическими методами.
Это даёт уникальную возможность исследования механизмов нелинейности, связанных с током свободных носителей заряда, приуправлении проводимостью системы и количеством этих носителей. Поляризационные исследования при этом являются одним из важнейших способов получения информации оприроде нелинейности в таких плёнках, об анизотропии в них. В данной работе впервыерассматривается явление генерации ТГц излучения в плёнках диоксида ванадия в двухфазовых состояниях и обнаруживается, что этот нелинейный процесс происходит в проводящей фазе в 30 раз более эффективно.
Более того, поляризационные свойства излученияв двух фазовых состояниях существенно различны, и тесно связаны с динамикой свободных носителей заряда и локальными полями внутри плёнок.Как и для генерации ТГц излучения при оптическом пробое газов, анализ поляриза10ции излучения дает информацию о роли свободных носителей заряда в процессах, приводящих к генерации ТГц излучения в плёнках диоксида ванадия. Эта общая идея объединяетисследование поляризации ТГц излучения в газовых средах, где свободные носители заряда рождаются в течение взаимодействия вещества с оптическим полем, и пленках VO2 ,где эти носители уже существуют в среде, но их количеством можно управлять с помощьюизменения температуры.Цель диссертационной работы: Исследование состояния эллипса поляризациитерагерцового излучения при его генерации в газово-плазменных средах и модельных системах с управляемой проводимостью с общей целью определения вкладов проводимостии нелинейной поляризации среды на параметры терагерцового излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
