Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных итогов развития лазерной физики последних десятилетий явилось понимание того, что на процессы взаимодействия когерентного излучения с поверхностью конденсированных сред существенное, а в ряде случаев и определяющее, влияние может оказывать резонансное возбуждение поверхностных электромагнитных под. Возникающее при этом усиление полей играет ключевую роль в таких ярких эффектах фотофизики поверхности металлов, как гигантское комбинационное рассеяние света молекулами, адсорбированными на поверхности, п резкое возрастание эффективности генерации второй гармоники на шероховатой поверхности по сравнению с полированной. Резонансное возбуждение поверхностных мод лежит в основе физического механизма эффекта образования светоин-дуцированных поверхностных периодических структур, результатом которого является значительное усиление поглощатсльнои способности поверхности, приводящее к снижению порогов фотохимических реакций, плавления, испарения и парообразования.
Потребность в достижении больших концентраций энергии побудило экспериментаторов к освоению диапозона сверхкоротких импульсов сильно сфокусированного лазерного излучения. При этом временные и пространственные характеристики световых сигналов могут стать одного порядка или малыми по сравнению, соответственно, с временем жизни и длиной свободного пробега поверхностных мод, и тогда процессы взаимодействия света с поверхностями конденсированных сред, сопровождающиеся резонансными возбуждениями поверхностных электромагнитных мод, требуют проведения специальных исследований.
Все вышеперечисленное служит основанием считать' тему диссертации весьма актуальной и практически важной.
Целью настоящей работы является построение аналитической теории отражения и поглощения ограниченных во времени и пространстве оптических сигналов от неровных металлических поверхностей в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных мод.
Конкретные задачи, поставленные и решенные в диссертации, заключаются в исследовании специфических особенностей в: - отражении и поглощении ограниченных световых сигналов при нескользящем падении на мелкую металлическую решетку;
отражении при скользящем падении;
отражении и поглощении от металлической решетки с диэлектрическим покрытием;
диффузном отражении от шероховатой металлической поверхности.
Основные результаты диссертадии. определяющие ее научную новизну
I. Развита аналитическая теория для описания отражения и поглоще-.
ния ограниченного в пространстве и во времени светового сигнала при
нескользящем падении на мелкую металлическую решетку.
II. Определены амплитуды полей зеркально отраженного сигнала и
сигнала автоколлимации при скользящем падении ограниченного све
тового сигнала на мелкую металлическую решетку.
-
Построена простая аналитическая теория зеркального отражения и поглощения плоской монохроматической волны при падении на металлическую решетку с диэлектрическим покрытием в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных мод.
-
Развита аналитическая теория отражения и поглощения ограниченных световых сигналов при падении на металлическую решетку с диэлектрическим покрытием.
V. Построена аналитическая теория диффузного отражения ограничен
ных световых сигналов от шероховатой металлической поверхности.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Известный для плоской монохроматической волны эффект полного подавления зеркального отражения (ППЗО) дри нескользящем падении на мелкую металлическую решетку для ограниченных световых сигналов не реализуется, если их длительность т и пространственная ширина D не являются большими в сравнении, соответственно, с временем жизни Т. и длиной свободного пробега L поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). При этом в случае, когда г ~ Т и (или) D ~ L, то происходит существенное искажение временной и (или) пространственной структуры отраженного сигнала по сравнению с падающим.
2. При скользящем падении ограниченного светового сигнала на решетку пространственного искажения отраженнного сигнала как в режиме ППЗО, так и в режиме .автоколлимации, не происходит. Характерный масштаб временных искажений при определенных условиях
оказывается существенно больше по сравнению с соответствующим масштабом для нескользящего падения. Закон убывания интенсивности послесвечения при этом является степенным.
-
Присутствие на металлической решетке диэлектрического покрытия приводит к дополнительным по сравнению с простой решеткой проявлениям резонансных аномалий в отражении плоской монохроматической волны, включая эффект ППЗО, — за счет возбуждения полноводных мод (ВМ). Отличие резонансных аномалий, вызванных ВМ, состоит в том, что будучи не осложненными близостью аномалий Вуда, они приводят к зависимостям коэффициентов отражения и поглощения от угла падения и частоты, имеющим лоренцевскую форму.
-
Резонанс относительно ВМ на решетке с покрытием приводит к фазовым аномалиям в отраженном сигнале, которые в условиях эффекта ППЗО выражаются в наличии скачка фазы от +| до — | при смене знака расстройки резонанса.
-
При падении на решетку с покрытием ограниченных световых сигналов, искажения временной и пространственной структуры отраженных сигналов в условиях, близких к реализации эффекта ППЗО для несущей волны при резонансном возбуждении ВМ, описываются интегральным преобразованием с экспоненциальным ядром.
-
При падении ограниченных световых сигналов на шероховатую металлическую поверхность искажения пространственной и временной структуры за счет резонансного возбуждения ПЭВ происходят в отношении диффузно отраженного сигнала; анизотропия пространственных характеристик при отражении узких по сравнению с длиной свободного пробега ПЭВ определяется ориентацией плоскостей падения и отражения, а также плоскостью поляризации падающего излучения.
-
Сужение падающего пучка до размеров, сравнимых или меньше длины свободного пробега ПЭВ приводит к ослаблению и угловому уширению пика антизеркапьного отражения от шероховатой металлической поверхности.
Научная и практическая ценность работы заключается в возможности использования ее результатов в целях:
а) построения теории образования периодических поверхностных
структур п других фогофпзнческих эффектов в условиях воздействия
короткими п пространственно узкими лазерными сигналами;
б) расчетов условий оптимального энерговложения в лазерных воздой-
ствлях;
в) оптимизации процессов ввода оптических сигналов в волноводы при
менительно к интегральной оптике;
г) разработки конструкции ответвителей и. делителей лазерных сигна
лов на основе металлических дифракционных решеток.
Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве состоит в проведении теоретических расчетов, участии в интерпретации и изложении результатов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ВНИИОФИ, на московском семинаре по дифракции п распостранснию волн под руководством члена-корреспондента АН СССР Вайнштейна Л.А., на семинаре по статистической радиофизике под руководством члена-корреспондента РАН Рытова СМ., на III Всесоюзной школе по шікосскундноп технике (г. Ереван, 1988 г.), на V Всесоюзном семинаре «Фотофизика поверхности» (Овсяное, 1989 г.), на VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 6 статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 112 страниц принтерного текста, содержит 1С рисунков п библиографию из 100 названий.
