Введение к работе
Актуальность исследований
Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления -оптика атмосферного аэрозоля, являющегося одним из важнейших разделов оптики атмосферы. Актуальность данного направления обусловлена широким использованием лазерных источников в устройствах атмосферной оптической связи, навигации, лазерного мониторинга природных и техногенных сред, а также во многих других практических приложениях [1, 2]. Большой раздел современной оптики атмосферных аэрозолей связан с изучением взаимодействия света с широко распространенным в атмосфере капельным аэрозолем (туман, облака), представляющим собой, как правило, сферические частицы микронных размеров с низким поглощением в видимой части спектра. Развитие компьютерных технологий стимулировало новый этап теоретических исследований по оптике микрочастиц. Здесь с использованием классической теории рассеяния излучения на сфере - теории Ми [3], а также ее обобщений для пространственно-ограниченного (сфокусированного) излучения [4] и ультракоротких лазерных импульсов [5], открылись перспективы проведения более строгих и детальных расчетов оптических полей, появилась возможность построить новые, более реалистичные модели физических процессов. В первую очередь такие исследования были важны для интерпретации экспериментальных результатов по эффектам вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденной флуоресценции (ВФ), наблюдаемых при освещении, как изолированных микрочастиц, так и целых аэрозольных ансамблей лазерным пучком [6, 7]. Кроме того, к концу 1990-х, началу 2000-х годов в связи с развитием фемтосекундной атмосферной оптики [8] возникла необходимость исследования рассеяния светового излучения на частицах в нестационарных условиях.
Сферические микрочастицы различной физической природы и структурного состава являются также весьма перспективными объектами ряда современных оптических технологий таких, как Раман-спектроскопия [9], оптоэлектроника [10], биосенсорика [11], оптическая микроскопия [12], создание миниатюрных лазеров [13] и др. Диэлектрическая микрочастица в оптическом диапазоне длин волн является высокодобротным оптическим резонатором [14] и, следовательно, обладает уникальной способностью концентрировать в своем объеме энергию падающего светового излучения, способствуя многократному понижению энергетических порогов различных нелинейных эффектов [15]. Оптические элементы на основе прозрачных микрочастиц, совмещая в себе резонансные и нелинейные свойства, выгодно отличаются от традиционных устройств бегущей волны удобством согласования с внешними цепями, простотой реализации. Кроме того, микрочастицы проявляют малую чувствительность к разрушению и перегреву, что открывает определенные перспективы их использования в качестве базовых элементов памяти оптических микрокомпьютеров и других
устройств микроэлектроники [16].
Проблема преодоления дифракционного предела в пространственном
разрешении различных устройств дифракционной волновой оптики [17],
необходимость существенного повышения напряженности
электромагнитного поля в области его локализации при заданной величине энергии излучения, задачи манипулирования сверхмалыми объектами [18] также являются актуальными в свете развития нанофотоники, изучающей оптические поля и поведение света на нанометровой шкале [19]. В этой связи для создания высоко локализованного в пространстве интенсивного светового потока относительно недавно было предложено использовать эффект фокусировки света микронными частицами [20], когда вблизи их поверхности формируется, так называемая, «фотонная (нано)струя» (ФС). Природа возникновения ФС связана с аберрационной фокусировкой излучения поверхностью сферы, что при определенных условиях приводит к конструктивной интерференции световых полей рассеянного и прошедшего частицу излучения. При этом спецификой ФС является достаточно высокая пространственная локализация светового поля в поперечном направлении (вплоть до дифракционного предела), а также аномальная протяженность (десятки длин волн) в направлении падения излучения.
Интерес к эффекту ФС обусловлен, главным образом, перспективами его практического применения в нанофотонике, биологии, медицине, наноэлектронике, системах хранения данных (см. обзор [21]). ФС обеспечивает высокую интенсивность электромагнитного поля в фиксированной пространственной области вблизи микрочастицы, и одновременно обладает высокой чувствительностью к различного рода возмущениям как полевой, так и материальной природы. Поэтому всестороннее изучение структуры ближней зоны дифракции светового поля, формируемой у поверхности слабо поглощающих диэлектрических частиц микронных размеров, является одним из важных аспектов проблемы.
Все выше перечисленное составляет существенную часть вопросов, которые рассматриваются в рамках проблемы оптики аэрозоля. В настоящее время они являются наиболее востребованными для практических приложений и многие из них имеют экспериментальное описание, однако к моменту начала работы над диссертацией данные вопросы оказались в большинстве случаев недостаточно теоретически изученными. Анализу и обобщению комплексных вопросов взаимодействия лазерного излучения с изолированной сферической микрочастицей и посвящена данная диссертация.
Цель и задачи исследования
Целью работы являлось теоретическое исследование эффектов нестационарного и неупругого рассеяния светового излучения на изолированных слабопоглощающих сферических частицах микронных размеров.
В рамках диссертации работа проводилась по следующим направлениям:
-
Исследование вопросов, связанных с возможностью экстремальной фокусировки оптического поля изолированными частицами, а именно, изучение пространственных и мощностных характеристик оптического поля, формирующегося вблизи поверхности сферической частицы при ее облучении световой волной.
-
Изучение особенностей формирования нестационарных оптических полей упругого рассеяния ультракоротких лазерных импульсов и цуга импульсов на сферической диэлектрической микрочастице.
-
Изучение специфики реализации ряда нелинейно-оптических эффектов вынужденного рассеяния света в сферических микрочастицах (ВКР, ВФ, вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ)) в условиях возбуждения морфологических резонансов внутреннего оптического ПОЛЯ.
Научные положения, выносимые на защиту
1. Управление амплитудными и пространственными характеристиками
области ближнего поля рассеяния световой волны на диэлектрической
сферической микрочастице (области "фотонной струи" - ФС)
осуществляется варьированием ее радиуса и оптических свойств.
Увеличение безразмерного параметра дифракции частиц в диапазоне
ха =5^-100 приводит к увеличению всех основных параметров ФС:
протяженности (до 20А,), ширины (до 1.3А,) и пиковой интенсивности (до двух порядков величины).
-
Формирование ФС в условиях морфологического резонанса внутреннего оптического поля приводит к экстремальной концентрации энергии излучения в ближнем поле рассеяния и сопровождается заметным сужением ФС до дифракционного предела. Данный эффект наиболее выражен вблизи поверхности микрочастицы на расстояниях порядка длины волны лазерного излучения. Ширина и интенсивность резонансной ФС, измеренные за пределами этой области, не имеют существенных отличий от ее обычных (нерезонансных) значений.
-
Микросферы с радиальным градиентом показателя преломления вещества (в форме концентрических оболочек) расширяют возможности управления параметрами формируемой ФС. Наибольшая протяженность ФС (до 10А,) реализуется при задании понижающегося оптического контраста между оболочками частицы (при движении от центра), а наивысшая интенсивность ФС, наоборот, достигается при увеличивающемся контрасте внешних слоев.
-
Нестационарная ФС, формируемая в поле ультра-короткого лазерного импульса, в общем случае проходит две временные фазы своего развития: нерезонансную и резонансную. Временное поведение
интенсивности ФС в нерезонансной фазе в целом повторяет временной профиль проходящего через частицу лазерного импульса. Резонансная фаза эволюции ФС связана с высвечиванием собственных колебательных мод сферической частицы, возбуждаемых спектральными составляющими исходного лазерного импульса, и характеризуется периодическими пульсациями интенсивности ФС со снижающейся амплитудой.
-
В условиях многомодового возбуждения процессов вынужденного рассеяния света внутри прозрачных сферических микрочастиц световым пучком возникает асимметрия углового распределения интенсивности вынужденного рассеяния в направлениях вперед и назад. Степень данной асимметрии зависит от комбинации собственных резонансных мод (с четными или нечетными модовыми индексами), обеспечивающих процесс вынужденного рассеяния.
-
При многофотонном возбуждении спонтанной флуоресценции в сферической микрочастице лазерным импульсом, излучение флуоресценции характеризуется различной угловой направленностью из передней и задней полусфер. Во встречном направлении (из освещенной полусферы) формируется широкий пучок направленного (слаборасходящегося) излучения. По ходу возбуждающего излучения (из теневой полусферы), флуоресценция имеет выраженную коническую направленность. С повышением порядка многофотонности возбуждения процесса, направленность излучения флуоресценции из освещенной полусферы снижается, а угловая расходимость пучка из теневой полусферы меняется несущественно.
Достоверность научных результатов
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается следующими факторами:
-
Строгостью используемых математических методов (точное решение Ми волнового уравнения для сферы, прямое численное интегрирование уравнений Максвелла);
-
Физической непротиворечивостью основных результатов и выводов, их согласованностью с существующими физическими представлениями о взаимодействии излучения с прозрачными частицами;
-
Тестированием используемых при численном моделировании компьютерных программ на известных задачах;
-
Удовлетворительным согласием полученных результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными.
Научная новизна результатов
1. Исследована проблема экстремальной фокусировки оптического пучка в пространственную область с субволновым поперечным размером с помощью изолированной сферической частицы. Рассмотрены два основных способа приближения к дифракционному пределу
фокусировки: при помощи плазмонных резонансов металлических нанометровых частиц, либо с использованием "фотонных струй" от диэлектрических сфер микронных размеров. Впервые установлены закономерности, показывающие, как можно эффективно управлять амплитудными и пространственными характеристиками области "фотонной струи" путем варьирования размера и оптических свойств микронной частицы, а также при изменении параметров лазерного излучения.
-
Впервые исследовано формирование "фотонной струи" при рассеянии светового излучения на оптически неоднородных в радиальном направлении частицах, представляющих собой сферическое ядро с нанесенными на него концентрическими оболочками равной толщины с разным характером изменения показателя преломления слоев. Наглядно продемонстрировано, что варьированием оптического контраста оболочек частицы также возможно управлять параметрами "фотонной струи".
-
Впервые определен структурный тип частиц, наиболее оптимально сочетающий в себе высокую пространственную локализацию фотонного потока при достаточно высоком уровне его интенсивности. Установлено, что наибольшие значения критерия качества "фотонной струи", который комбинирует в себе основные параметры струи (длина, поперечный размер, интенсивность), реализуются в частицах сублинейного структурного типа, с плавным уменьшением показателя преломления между соседними слоями оболочки.
-
На основе систематизации полученных результатов проведена оригинальная классификация пространственных форм "фотонных струй" с выделением их основных структурных типов. В основе предлагаемой классификации лежит пространственная удаленность максимума возникающего фотонного потока от поверхности родительской микросферы, приводящая к «кинжальной», либо «факельной» форме струи. Каждый морфологический тип имеет сопутствующие признаки такие, как образование вторичных сгустков поля, наличие боковых лепестков, а также характер изменения ширины струи при удалении от частицы.
-
Впервые теоретически рассмотрен сценарий развития нестационарной "фотонной струи" в теневой области рассеяния фемтосекундного лазерного импульса на диэлектрической сферической микрочастице. Данный сценарий включает в себя две временные фазы: нерезонансную и резонансную. Показано, что нерезонансная фаза является результатом дифракции световой волны при прохождении импульса через частицу, а резонансная фаза эволюции "фотонной струи" связана с возбуждением и высвечиванием собственных колебательных мод сферической частицы.
-
Впервые теоретически рассмотрено импульсное возбуждение собственных резонансов внутреннего оптического поля в прозрачной
микросфере путем ее освещения свободно распространяющимся ультракоротким лазерным излучением. Установлено, что в этом случае добиться наиболее оптимальной передачи энергии падающего излучения в заданный высокодобротный собственный резонанс позволяет использование цуга фазово-модулированных лазерных импульсов. При этом варьированием скважности следования импульсов производится настройка на резонанс, а изменение глубины чирпирования позволяет концентрировать энергию в нужных спектральных интервалах. В микронных водных каплях данный эффект позволяет достичь более чем двукратного прироста интенсивности оптического поля возбуждаемой МШГ по сравнению с возбуждением одиночным импульсом.
-
Сравнительный анализ временной динамики формирования внутреннего оптического поля частицы при облучении ее одиночным и цугом лазерных импульсов показал, что увеличение количества импульсов в цуге приводит к изменению временного поведения внутреннего поля частицы и его пиковой интенсивности. Впервые установлено, что существует оптимальное количество импульсов в цуге, превышение которого не приводит к дальнейшему увеличению максимума интенсивности внутреннего оптического поля частицы.
-
Установлено, что реализация вынужденного рассеяния света в сферических слабопоглощающих частицах (ВКР, ВРМБ) обеспечивается существованием высокодобротных резонансных мод внутреннего оптического поля. Впервые показано, что соответствие друг другу пространственной структуры взаимодействующих в частице оптических полей, определяемое коэффициентом пространственного перекрытия, существенным образом влияет на величину энергетического порога вынужденного рассеяния света. Пороговая интенсивность возникновения ВР минимальна при совпадении радиальных профилей взаимодействующих мод.
-
При исследовании углового распределения интенсивности ВКР от прозрачных частиц в условиях многомодового возбуждения, впервые установлены различия в диаграммах направленности рассеянного излучения для различных комбинаций возбуждаемых в частице мод. Показано, что участие в процессе рассеяния мод только с четными (или только нечетными) модовыми номерами приводит к значительному возрастанию амплитуды рассеянной волны в направлении назад, сложение же мод с четными и нечетными модовыми номерами ведет к ослаблению рассеянного излучения в данном направлении.
10.Рассмотрено явление многофотонно возбужденной флуоресценции в сферических частицах при их освещении лазерным импульсом. Впервые определено пространственное положение и эффективная мощность источников спонтанной флуоресценции внутри частицы, а также в рамках геометрической оптики, проведены оценки степени угловой асимметрии флуоресценции микрочастиц.
Научная и практическая значимость
Научная значимость работы заключается в изучении и обобщении широкого класса вопросов, касающихся исследования взаимодействия интенсивного лазерного излучения с изолированной сферической частицей в условиях резонансного и нерезонансного возбуждения ее внутреннего оптического поля. Практическая сторона работы связана с обоснованием физических основ новых методов лазерной дистанционной диагностики параметров дисперсных сред, базирующихся на эффектах нелинейно-оптических взаимодействий. Кроме того проведенные исследования представляют интерес для областей лазерной физики, связанных с разработкой микролазеров и элементов оптоэлектроники, а также в биологии и медицине, в частности, оптической микрохирургии.
Материалы, представленные в диссертации, использовались при выполнении государственных контрактов № 1498, № 6512, работа поддерживалась грантами РФФИ № 03-05-64228, 06-05-64799, 09-05-00738, 93-05-9378, CRDF № PRO-1390-TO-03, программами 2.9, 8.1 Отделения физических наук РАН, № 12 Президиума СО РАН.
Апробация работы
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались на I, III, IV Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994; 1996; 1997); XVI International Conference
on Coherent and Nonlinear Optics - ICONO'98 (Moscow, 1998); VI, VII Международных симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1999, 2000); Международной конференции молодых ученых и специалистов -"Оптика - 2003" (Санкт - Петербург, 2003); Региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (Владивосток, 2003); III, XV, XVII заседаниях рабочей группы "Аэрозоли Сибири" (Томск, 1996, 2008, 2010); VIII, X, XI, XIV, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX Join International Symposiums "Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics" (Irkutsk, 2001, Tomsk, 2003, 2004, 2007, Krasnoyarsk, 2008, Tomsk, 2009, 2011, Irkutsk 2012, Altay 2013), Международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт - Петербург, 2004, 2010); 14th International Conference "Laser Optics" (St. Petersburg, 2010); 25th International Laser Radar Conference (St. Petersburg, 2010); X International Conference "Atomic and molecular pulsed lasers" (Tomsk, 2011); Progress in Electromagnetics Research Symposium "PIERS" (Suzhou, China, 2011); Lasers and Interaction with particles, LIP-2012 (Rouen, France, 2012), семинаре кафедры физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, семинарах лаборатории нелинейных оптических взаимодействий, а также отделения распространения оптических волн и дистанционного зондирования Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН.
По материалам диссертации опубликовано 70 работ. Из них 2 монографии, 22 статьи в рецензируемых изданиях (16 в российских, из списка рекомендованного ВАК и 6 в ведущих зарубежных журналах).
Личный вклад автора
Все изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором лично или при его непосредственном участии. Автором осуществлялась методическая постановка ряда исследуемых задач, проведение численных экспериментов, а также анализ и обработка результатов.
Объем и структура работы
