Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Поляризационные нелинейно-оптические эффекты, т.е. зависимость нелинейного отклика среды от состояния поляризации взаимодействующих с ней световых волн, являются одной из существенных составляющих волновой оптики и служат основой реальных методов исследования вещества. Принципы поляризационной нелинейной оптики используются для анализа распространения света в активных лазерных средах, волоконных линиях связи, атмосфере, для обоснования методов поляризационной спектроскопии конденсированных сред. С другой стороны, эти исследования стимулируют создание нелинейно-оптических устройств на основе новых материалов и нетрадиционных механизмов оптической нелинейности.
Одним из наиболее эффективных и развитых методов нелинейной спектроскопии является спектроскопия четырехволнового смешения. В полной мере это относится и к поляризационной нелинейной спектроскопии, различные варианты которой развиваются с 1956 года, когда Букингемом была развита теория оптического эффекта Керра - простейшего проявления вырожденного по частоте четырехволнового взаимодействия в поляризационной нелинейной оптике.
Новые возможности открываются при изучении нелинейных поляризационных эффектов, обусловленных нелокальностью, т.е. пространственной дисперсией нелинейного оптического отклика. Причины этого понятны, если принять во внимание, что тензоры нелокальной и локальной восприимчивости имеют различную симметрию
и, следовательно, описывают различные механизмы формирования оптического отклика. Так нелинейным обобщением естественной оптической активности - поворота плоскости поляризации световой волны в гиротропной среде - является эффект нелинейной оптической активности (НОА), впервые описанный Ахмановым и Жариковым (1967). В простейшем варианте он проявляется как зависимость вращательной способности вещества от интенсивности распространяющейся в нем световой волны. Однако современная трактовка НОА как процесса четырехволнового смешения шире, чем просто поляризационного самовоздействия. Например, эффективным инструментом изучения механизма формирования нелокального оптического отклика является многолучевая НОА, когда слабая пробная волна зондирует изменение вращательной способности среда, индуцированное интенсивной волной накачки.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ составляет:
развитие микроскопической и феноменологической теории процесса четырехволнового смешения в нелокальных средах;
разработка новых схем поляризационной четырехфотонной спектроскопии конденсированных сред в области сильного поглощения;
развития теории явления вынужденного рассеяния в рассеивающих средах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в том, что:
построена феноменологическая теория нелинейных восприиимчивостей, описывающих нелинейно-оптические эффекты в средах с нелокальным оптическим откликом;
- построена теория изменения состояния поляризации пробной
волны, отраженной от поверхности оптически возбужденной среды и предложена методика измерения тензоров локальных и нелокальных восприимчивостей поглощающих сред методами нелинейной спектроскопии с временным разрешением;
предложено новое представление для гамильтониана взаимодействия молекулы с электромагнитным полем свєтоеой волны в первом порядке пространственной дисперсии и рассчитаны тензоры нелокальных нелинейных Еосприимчивостей;
развита теория формирования нелинейного оптического отклика органических молекул и разработаны методы изучения временной эволюции структуры молекулы при фотоизомеризации Е возбужденном состоянии:
предложена нелинейно-оптическая методика, которая позволяет провести измерения параметров фазового перехода вне области критической опалесценции.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы для:
разработки нелинейно-оптических поляризационных методик измерения нелинейных восприимчивостей полупроводниковых кристаллов в области межзонного поглощения;
разработки нелинейно-оптических схем исследования структурной динамики органических молекул;
реализации нелинейно-оптических экспериментальных методик измерения параметров фазовых переходов в конденсированной среде.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, выносимые на защиту: I. Для тензороЕ нелокальных нелинейных восприимчивостей справедливы выведенные частотно-перестановочные соотношения,
которые являются аналогом правил Клейнмана для бездиссипативных сред с пространственной дисперсией и позволяют установить связь между различными эффектами на нелокальной нелинейности.
-
Состояние поляризации сеєтоеой волны, отраженной от поверхности оптически возбужденной нелинейной среды, зависит от разности фаз между пробной волной и волной накачки. Поляризационная спектроскопия с временным разрешением позволяет выделить эту зависимость и провести измерение нескольких независимых компонент тензоров локальной и нелокальной восприимчивости в одном эксперименте.
-
Электроквадрупольные и магнитодипольные эффекты могут быть единым образом описаны на основе предложенного представления для гамильтониана взаимодействия молекулы со световой волной, что позволяет получить компактные выражения для тензоров нелинейных восприимчивостей в первом порядке пространственной' дисперсии.
-
В окрестности фазоЕого перехода линейный закон падения критической мощности с температурой сменяется логарифмической зависимостью. При повышении интенсивности возбуждения характерна следующая последовательность режимов рассеяния в предпереходной области: спонтанное рассеяние; экспоненциальный рост интенсивности частично когерентного пучка вынужденного рассеяния; когерентное DP; разрушение пучков накачки и ВР из-за самофокусировки.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ и публикации. Основные материалы работы представлялись в качестве пленарных докладов на Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (X - Киев. 1980г., XI - Ереван, 1982г., XIII - Минск, 1988г.), I Всесоюзной
конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1981г.)» Сессии координационого Совета Минвуза СССР по программе "Лазеры" (Симферополь, 1989 г.), Всесоюзном научно-техническом совещании "Взаимодействие лазерного излучения с жидкими кристаллами" (Дилижан, 1978г.), Европейской конференции по квантовой электронике (Познань, ПНР, 1980г.), Второй Европейской конференции по квантовой электронике (Дрезден, ГДР, 1989г.), Пятой конференции по колебательной спектроскопии с временным разрешением (Токио, Япония, 1991г.), Семинаре по спектроскопии с временным разрешением (Канагава, Япония, 1991г.), Конференции по физике конденсированных сред (Шеффилд, Великобритания, 1992), Одиннадцатой национальной конференции по квантовой электронике (Белфаст, Великобритания, 1993), Совещании Американского оптического общества по нелинейным явлениям в световодах (Кембридж, Великобритания, 1993г.), Конференции по динамическим процессам в возбужденных твердых телах (Кембридж, США, 1993г.).
Основные материалы диссертации опубликованы в 29 работах, список которых приведен в конце автореферата. Общий список публикаций включает 72 статьи.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Объем работы составляет 232 страницы, включая 2Р рисунков, библиографию из 214 работ и списка основных авторских публикаций по теме диссертации. Каждая глава завершается сводкой основных результатов в форме кратких выводов.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. В диссертацию вошли исследования, проведенные в Московском государственном университете им.
М.В.Ломоносова и Институте общей физики РАН в 1979-1994 гг. Автору принадлежит выбор научного направления, постановка конкретных теоретических задач, определение метода решения, получение основных результатов и их интерпретация. Постановка задачи по развитию осцилляторной модели формирования нелокального оптического отклика принадлежит С.А.Ахманову. Постановка задачи по самофокусировке и вынужденному рассеянию света в окрестности фазового перехода осуществлена под руководством Г.А.Ляхова, расчетная часть работы выполнена совместно с Е.Р.Сатыевым. Разработка теории поляризационных нелинейно-оптических явлений при отражении от поверхности поглощающих кристаллов проведена в тесном сотрудничестве с экспериментальной группой под руководством Н.И.Желудева.
