Введение к работе
Актуальность проблемы. Углеродные нанотрубки являются уникальными макромолекулярными системами. Их малый нанометровый диаметр и большая микронная длина указывают на то, что они наиболее близки по своей структуре к идеальным одномерным системам. Они химически и термически стабильны, обладают превосходной теплопроводностью, уникальными прочностными и механическими характеристиками. Вместе с тем наноструктурные материалы открывают новые возможности в области лазерной физики и лазерных технологий. Полупроводниковые наноструктурные материалы позволяют значительно увеличить эффективность нелинейно-оптического преобразования частоты лазерного излучения.
Нелинейная оптика углеродных нанотрубок (УНТ) - новое направление исследований, формирующееся на стыке физики твердого тела, лазерной физики, физики низкоразмерных наноструктур. Теоретические исследования указывают на наличие сильных оптических нелинейностей углеродных нанотрубок. Ввиду разнообразия форм углеродных нанотрубок нелинейно-оптические процессы представляют интерес также в качестве метода локальной диагностики углеродных нанотрубок, чувствительного к ширине запрещенной зоны и пространственной структуре углеродных нанотрубок.
Целью работы является исследование взаимодействия лазерного излучения с массивом углеродных наночастиц.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые результаты:
-
Предложены модели и получены эффективные уравнения, описывающие динамику предельно короткого двумерного лазерного импульса в двумерных массивах идеальных УНТ, УНТ с примесями, адсорбированными на их поверхности, УНТ с учетом кулоновского взаимодействия электронов.
-
Впервые показана возможность распространения устойчивых нелинейных волн, локализованных в двух направлениях - аналогов «световых пуль».
-
Впервые обнаружено, что учет кулоновского отталкивания электронов УНТ приводит к дополнительному искривлению фронта исходного
импульса, увеличивая его кривизну. 4. При рассеянии двумерного уединенного светового импульса на двух близко расположенных металлических дефектах происходит периодическое разделение пика импульса на два и последующее их слияние. Эффект может быть связан с возбуждением внутренних мод колебаний «световой пули».
Методы исследований и достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием в работе современных, хорошо апробированных методов теоретической и математической физики и компьютерного моделирования, соблюдением пределов применимости используемых моделей и приближений. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается также их воспроизводимостью в численном эксперименте.
Научная и практическая ценность работы. В диссертационной работе изучены новые физические явления (эволюция световой пули в углеродных нанотрубках, появление биений типа «бумерон» при рассеянии на двух неоднородностях, интерференция гауссовых и супергауссовых пучков, укручение фронта при увеличении энергии адсорбированного атома в нанотрубках с примесями), интересные как с точки зрения фундаментальных исследований, так и с точки зрения практического применения.
Полученные результаты открывают новые перспективы и направления практического использования и дальнейшего теоретического изучения нанотрубок. Например, эти результаты могут быть использованы для разработки устройств локальной диагностики углеродных нанотрубок, генерации оптических гармоник (в том числе гармоник высокого порядка), нелинейно-оптического преобразования частоты сверхкоротких импульсов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Углеродные нанотрубки являются сильнонелинейной средой, в которой возможно устойчивое распространение оптических пространственно локализованных предельно коротких импульсов и которая способна изменять их характеристики.
-
При рассеянии двумерного уединенного светового импульса на двух близко расположенных металлических дефектах происходит периодическое разделение пика импульса на два и последующее их
слияние. Эффект связан с возбуждением внутренних мод колебаний «световой пули».
-
При прохождении импульса происходит его рассеяние на неоднородностях. В результате интерференции рассеянных волн происходит генерация кратных гармоник и субгармоник, что приводит к расширению спектра импульса и его сужению во временной области.
-
Супергауссов ультракороткий пучок проходит стадию сжатия в поперечном направлении при распространении в однородном массиве углеродных нанотрубок.
Апробация результатов. Основные результаты докладывались на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: I Международной Казахстанско-Российско-Японской научной конференции; XI и XII Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, 2008, 2010 гг.); 4th Workshop on metamaterials and special materials for electromagnetic applications (Naples, Italy, 2008 г.); 9th Biennial International Workshop «Fullerenes and Atomic clusters» (St.-Petersburg,
-
г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области» (Волгоград, 2009 гг.); Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград,
-
г.); 6th International conference «Material Structure and Micromechanics of fracture» (Brno. Czech Republic, 2010 г.); XXII симпозиуме «Современная химическая физика» (Туапсе, 2010 г.); GRAPHENE 2011(Bilbao, Spain, 2011), а также на научных конференциях и семинарах ВолГУ.
Материалы диссертационной работы использовались при выполнении научно-исследовательской работы, проводящейся в Волгоградском государственном университете: гранта РФФИ № 08-02-00663 и Государственного контракта Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 год (проект № НК-16(3)).
Личный вклад автора. Основные результаты диссертационного исследования получены лично автором. Обсуждение результатов осуществлялось вместе с научным руководителем. Основные положения диссертации опубликованы в соавторстве с научным руководителем. Автор
принимал активное участие во всех стадиях выполнения работ - в постановке задачи, получении аналитических и численных результатов, разработке и отладке вычислительных программ для ЭВМ, обработке результатов численных расчетов и написании статей. В совместных работах вклад автора в результаты исследований является определяющим. В работах, произведенных совместно с Пак А.В., дисперсионное соотношение для УНТ с примесями получено Пак А.В.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 158 наименований цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем составляет 136 страниц, включая 40 рисунков и 5 таблиц.
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 13 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК и 2 статьи в зарубежных журналах.
