Введение к работе
Актуальность темы: Интерес к тонким слоям резонансных атомов обусловлен в первую очередь развитием сравнительно нового научного направления - физики поверхностных явлений. Несмотря на малость толщины резонансного слоя по сравнению с длиной волны света, нелинейная связь между амплитудой пола прошедшей волны и оптическими свойствами резонансной среды приводит в квазистационарных условиях к явлениям бистабильностя и самопульсациям. В определенных условиях нелинейная динамика системы может носить характер оптического хаоса. Тонкая пленка толщины много меньшей длины волны служит плодотворной моделью резонансной оптики, в рамках которой такие нелинейные явления, как нелинейные поверхностные волны, нелинейное отражение ультракоротких оптических импульсов, "двухволновые" солитоны, самоиндуцированная прозрачность, оптическая бистабильпость и самопульсации, допускают простое аналитическое описание, а эффекты типа фотонного эха приобретают новые черты. Кроме того, имеется чисто практический интерес в изучении подобных структур из резонансных атомов, поскольку оптические элементы, изготовленные на их основе, могут найти гшірокое применение в устройствах интегральной оптики, оптических системах обработки, хранения и передачи информации.
Многие из нелинейных оптических свойств тонких пленок такие, как безрезонаторная оптическая бистабильпость (БОБ), динамический сдвиг резонансной частоты, нелинейная зависимость коэффициента пропускания от величины падающего поля, во многом определяются эффектом локального поля, то есть учетом диполь-дипольного взаимодействия. Однако, в большинстве существующих работ этот эффект рассматривается только в неупорядоченных средах и средах кубической симметрии. Кроме того, в сверхтопких пленках первостепенное значение приобретает проблема граничных условий, поскольку физические свойства поверхпостиых слоев различных материалов отличаются от их объемных свойств. Однако, многие авторы целиком пренебрегают наличием поверхности. Этих недостатков лишено рассмотрение нелинейных свойств пленок с учетом эффекта ближнего поля (ЭБТ1), который является обобщением эффекта локального поля.
Таким образом, исследование взаимодействия тонких нелинейных пленок с квазирезонансньш излучением при должном учете по-
верхностн пленки, а также детальный анализ влияния пространственной симметрии решетка на оптический отклик является в настоящее время весьма актуальным. Значительный интерес представляет также изучение поведения ноля в непосредственной близости от поверхности с целью использования полученных теоретических оценок в ближнепольной микроскопии.
Цель работы: решение граничных задач нелинейной резонансной оптики сверхтонких пленок (с толщиной намного меньше длины волны) с учетом эффекта ближнего поля и исследование влияния на оптические свойства сверхтонких пленок учета ближайших соседей атома и наличия поверхности.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
- Получение самосогласованной системы материальных и полевых уравнений с учетом эффекта ближнего поля для случая сверхтонкой пленки, что позволит решить граничную задачу нелинейной резонансной оптики взаимодействия стационарного квазирезонансного оптического излучения со сверхтонкой пленкой.
Исследование оптических свойств сверхтонких линейных и нелинейных пленок с использованием двух пространственных масштабов - длины волны и межатомного расстояния, что позволит сделать заключение о величине эффекта ближнего поля в малых объектах и о возможности его экспериментального обнаружения.
Исследование свойств сверхтонких пленок, обладающих различными симметриями расположения атомов, что позволит сделать вывод о возможности создания оптического метода исследования поверхности и малых объектов.
Научная новизна:
Разработан метод решения граничных задач классической линейной и нелинейной оптики пленок, основанный на методе интег-ро-дифференциальных уравнений.
Исследовано влияние эффекта ближпего ноля на оптические свойства линейных и нелинейных сверхтонких пленок. Показано, что это влияние может оказаться значительным при определенном выборе параметров нлеики (большие концентрации атомов, большие значения динольных моментов).
Теоретически показано, что учет эффекта ближнего поля приводит к зависимости оптических свойств материалов от тина кристаллической решетки, что может быть положено в основу оптического метода исследования структуры малых объектов.
Практическая ценность:
- Изучение поведения электромагнитного поля в волновой и
ближней зонах на основе эффекта ближнего поля может быть поло
жено в основу оптического метода исследования структуры малых
объектов.
Предлагаемый метод расчета поля отраженной волны в ближней зоне относительно поверхности пленки может быть полезным для интерпретации данных сканирующих ближнепольных микроскопов при достижении ими разрешения ~ 1нм. Также этот метод может быть использован при решении задач; субмикронной фотолитографии, где необходимо рассчитывать с высокой точностью распределение поля на малых расстояниях от границы раздела сред.
В диссертации получены условия возникновения безрезона-юрной оптической бистабильности с учетом эффекта ближнего поля и структурного фактора. Эти условия будут полезны при отборе веществ, в которых возможно осуществление БОБ, и создании устройств интегральной оптики.
Апробация работы: Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V научно-практической конференции молодых ученых Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1996), VI международном симпозиуме "Фотонное эхо и когерентная спектроскопия" (Йошкар-Ола, 1997), VII научно-практической конференции молодых ученых Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1998).
Публикации: Основные результаты исследований отражены в 5 печатных работах.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа изложена на 145 страницах, иллюстрируется 19 рисунками и двумя таблицами и состоит нз введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и пяти приложений на 15 страницах.
Похожие диссертации на Эффект ближнего поля в сверхтонкой нелинейной пленке резонансных атомов
