Введение к работе
Актуальность темы
Взаимодействие электромагнитного излучения с неоднородными нелинейными средами относится к числу важнейших проблем радиофизики. Несмотря на то, что систематические исследования распространения электромагнитных волн в средах с неоднородностями показателя преломления начались, фактически, еще в начале текущего века их продолжение и развитие стимулируется и в настоящее время разнообразными научно-техническими приложениями. Среди последних можно выделить ставшие уже привычными УТС, плазменную электронику диагностику ионосферы, радио и оптическую связь и др., а также новые, активно развиваемые направления, такие как нелинейная оптика, интегральная оптика, оптоэлектроника, оптическая и поляритонная спектроскопия конденсированных сред (в особенности структур, предназначенных для микроэлектроники), сверхбыстрая оптическая обработка информации и управление светом с помощью света и т.д. Как нетрудно видеть, перечисленные (прежде всего новые) направления связаны, в основном, с исследованиями нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. С одной стороны, это обусловлено тем, что в ряде приложений (УТС, диагностика ионосферы, плазменная электроника, ...) достигнутые уровни интенсивности используемого электромагнитного излучения настолько велики, что речь может идти только о веществе в состоянии плазмы, которая в этих условиях ведет себя как сильно нелинейная среда. С другой стороны, некоторые приложения (например, интегральная оптика, нацеленная на создание быстродействующих логических схем и оптических процессоров) принципиально основаны на использовании нелинейных эффектов и их развитие происходит по пути снижения уровня сигнала, что инициирует поиск и получение новых нелинейных сред с экстремально сильными нелинейными свойствами.
Таким образом, особую актуальность в последнее время приобрели именно исследования нелинейного взаимодействия излучения с неоднородной средой. Настоящая работа исходит в какой-то мере из потребностей перечисленных приложений, хотя непосредственно конкретное рассмотрение какого-либо из них не ставит своей целью. Полученные результаты можно, однако, использовать как для интерпретации соответствующих экспериментальных данных, так и для оценки перспек-
тивности тех или иных конкретных применений неоднородных и нелинейных сред.
Цель работы
Представляемая диссертация охватывает широкий круг вопросов, связанных с исследованиями взаимодействия полей излучения с собственными квазилокализованными (т.е. обладающими достаточно малыми радиационными потерями) приповерхностными модами. Основное внимание в работе уделяется изучению резонансного взаимодействия волновых полей, имеющего место при выполнении условий пространственно-временного синхронизма, поскольку именно в такой ситуации взаимодействие наиболее сильно и, как следствие, раньше всего проявляют себя разнообразные нелинейные эффекты.
Исследования резонансного взаимодействия волновых полей в линейных и нелинейных средах проводятся уже сравнительно давно, и этому вопросу посвящена обширная литература, однако до сих пор проблема взаимодействия объемных и квазилокализованных мод не получила достаточно полного всестороннего и систематического исследования, которое и составляет главную цель представляемой работы.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в исследовании линейных и нелинейных процессов преобразования волновых структур (пучков, пакетов, мод); приводящих к изменению частотного и пространственного спектров излучения, эффектам резонансного, поглощения волн и резонансного просветления систем, содержащих непрозрачные слои и т.д. Новизна работы состоит также в развитии новых методов описания соответствующего взаимодействия в тех случаях, когда известные подходы оказываются неэффективными. Среди таких новых подходов можно отметить метод фазовых диаграмм в задачах распространения волн в многослойных структурах; энергетические методы применительно к исследованию генерации второй гармоники в плазменных приповерхностных пленках и к задаче о возбуждении солитонов на границе раздела линейной и нелинейной сред падающими волновыми пакетами; метод возмущений для описания взаимодействия полей излучения с радиационно затухающими нелинейными поверхностными волнами.
Основные научные результаты
-
Теоретически установлен эффект линейного' просветления непрозрачных многослойных структур, возникающий в результате синхронизованного возбуждения квазилокализованных поверхностных волн. Показано, что прохождение широких волновых пучков через такие системы может сопровождаться гигантским линейным эффектом Гуса-Хенхен как для прошедшего, так и для отраженного пучков, связанным с переносом энергии поверхностной волной вдоль структуры. Развитый применительно к задачам просветления многослойных структур диаграмный подход, основанный на анализе фазовой плоскости, системы уравнений для мнимой и действительной частей поперечного волнового.импеданса, позволяет найти оптимальную внутреннюю структуру многослойной системы (число слоев, их толщины и значения диэлектрической проницаемости) по заранее заданным отражательным характеристикам.
-
Исследованы селективные свойства тонких в масштабе длины волны многослойных плазмоподобных пленок, заключающиеся в подавлении определенных частотных или пространственных спектральных компонент излучения при его отражении от пленок. Показано, что селекция связана с резонансным поглощением р-поляризован-ного электромагнитного излучения в плазменных слоях, состаг вляюших пленку. Установлена принципиальная возможность создания селективного поглотителя с одной или несколькими контролируемыми полосами частот. На примере задачи о спектроскопии методом НПВО многослойных полупроводниковых структур (сверхрешеток) теоретически показано, что эффекты резонансного поглощения р-поляризованных электромагнитных волн, обусловленные возбуждением поверхностных и квазистатических мод в сверхрешетках могут быть использованы для определения их физических характеристик, таких как концентрация и подвижность свободных электронов, частоты собственных колебаний кристаллической решетки, период сверхрешетки и т.д.
-
Теоретически установлен и исследован эффект линейного согласованного поглощения электромагнитного излучения неоднородной изотропной бесстолкновительной плазмой с монотонным распределением концентрации N(z). Показано, что согласование может достигаться для р-поляризованных электромагнитных волн,
если в области плазменного резонанса профиль диэлектрической проницаемости удовлетворяет соотношению
,5„*Л- infill
где 9 - угол падения волны, представляющему собой условие синхронизма падающего излучения с собственной квазилокализован-ной в окрестности с == О модой. Диссипация энергии при этом обусловлена потерями в области плазменного резонанса.
-
Сформулирована самосогласованная теория, описывающая генерацию второй гармоники (ГВГ) р-поляризованного излучения, падающего на тонкую (в масштабе длины электромагнитной волны) однородную резонансную (плазменный резонанс е(ш) = 0) плазменную пленку, расположенную на металлической поверхности. Показано, что в области значений параметров пленки, отвечающих условию |e(w)| "С kod, где d - толщина пленки, эффективность преобразования излучения во вторую гармонику может на несколько порядков превышать эффективность ГВГ на свободной поверхности металла. Установлено, что определяющий вклад в ГВГ вносят поверхностные нелинейные токи, для которых впервые получено точное выражение. Теоретически исследована резонансная генерация низкочастотного излучения в тонких плазменных слоях под действием бигармонической волны накачки в условиях, когда частота биений близка к плазменной частоте слоя. Установлено, что в бездиссипативном случае интенсивность излученной низкочастотной волны не зависит от толщины слоя при условии точного совпадения частоты биений с плазменной частотой.
-
Исследовано параметрическое взаимодействие поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на границе раздела .плазмоподобных сред содержащей тонкий переходный слой, в условиях, когда гармоники возбуждённых поверхностных волн соответствуют собственным частотам спектра ПЭВ. Получены укороченные уравнения и найдены их некоторые точные решения, описывающие нелинейные эффекты, обусловленные обменом энергией между взаимодействующими волнами. В частности показано, что в отсутствие диссипации возможна полная трансформация низкочастотной волны в высокочастотную, а так же образование связанных состояний у взаимодействующих волн типа кинк - солитон . Обращено внимание
на принципиальную возможность создания эффективных умножителей частоты на основе многослойных нелинейных покрытий.
-
Исследована магнитная параметрическая неустойчивость (по отношению к самовозбуждению квазистационарного магнитного поля - нулевой гармоники) неоднородной плазмы, находящейся в поле сильной электромагнитной волны. Установлено, что пространственная неоднородность плазмы приводит к локализации области неустойчивости в окрестности плазменного резонанса. Показано, что характер пространственно-временной эволюции магнитного поля существенно зависит от амплитуды волны накачки: при не слишком больших амплитудах поля падающей волны имеет место обычная "экспоненциальная" апериодическая неустойчивость, а для достаточно больших амплитуд волны накачки неустойчивость становится взрывной - типа отрицательной диффузии. Выяснено, что взрывной характер нарастания магнитного поля ограничивается только на кинетической стадии неустойчивости благодаря выносу энергии плазменными волнами из области взаимодействия.
-
Теоретически исследована оптическая бистабильность тонких приповерхностных плазменных и сверхпроводниковых пленок, приводящая при облучении их электромагнитными пучками к возбуждению самосогласованной неоднородности вдоль поверхности пленок (домена). Показано, что возникновение соответствующего домена сопровождается локальным (в области доменной стенки) перерассеянием объемных волн в поверхностные. Установлено, что амплитуда генерируемой поверхностной волны слабо зависит от амплитуды поля и поперечной структуры падающего пучка, а энергетическая эффективность процесса максимальна на пороге возбуждения домена.
-
Теоретически исследовано явление нелинейного резонансного возбуждения поверхностных волн на границе раздела линейной и нелинейной кубичной сред за счет дифракции пересекающихся когерентных световых пучков р-поляризации на формируемой ими в нелинейной среде самосогласованной динамической дифракционной решетке. Найдены выражения для амплитуд поверхностных волн, выходящих из области пересечения пучков. Изучены различные режимы взаимодействия пучков с нелинейной средой и определены оптимальные условия возбуждения поверхностных мод как
в области пересечения пучков, так и вне ее. Развита теория, описывающая эффект, обратный, в известном смысле, эффекту возбуждения поверхностных волн- рассеяние падающих электромагнитных пучков на поверхностных волнах. Показано, что при превышении некоторых пороговых значений напряженности падающего поля происходит перекачка энергии из падающего пучка в рассеянный пучок и поверхностную волну, имеющая характер неустойчивости. Установлено, что для определенных углов падения имеет место обратное рассеяние. Рассчитана структура рассеянного поля.
9. Исследован эффект параметрического излучения ПЭВ из плазменных пленок переменной толщины, обладающих кубичной нелинейностью. Показано, что нелинейное излучение ПЭВ из таких пленок имеет, по сравнению с излучением из однородных пленок, ряд особенностей (пространственную локализацию светящейся области, широкую диаграмму направленности и т.д.). Исследована конкуренция радиационных и диссипативных процессов, приводящая, в зависимости от потока энергии в поверхностных волнах, к установлению одного из двух нелинейных режимов, характеризуемых существенно различным соотношением между излучаемой мощностью и потерями в области нелинейного взаимодействия.
10. Показана возможность полного поглощения р-поляризованной электромагнитной волны плавно неоднородной плазмой, в условиях стрикционной фокусирующей нелинейности, в двух нелинейных режимах, соответствующих различным значениям ^глов падения и интенсивности излучения, причем для определенных углов падения имеют место две области сильного (почти полного) поглощения, отвечающие различным мощностям падающей волны. Выход на согласованный режим связан в одном случае с синхронизованным возбуждением высвечивающейся квазистатической моды на плато плотности плазмы с малым положительным значением проницаемости, в другом - квазиповерхностной моды на скачке плотности плазмы. Установлено, что для слоев заметно отличающихся от линейного, дефокусирующая (ионизационная) нелинейность также может приводить к увеличению коэффициента поглощения вплоть до единицы, в то время как для квазилинейных распределений проницаемости всегда снижает его. Явление согласования в этом случае объясняется синхронизованным возбуждением квазиповерхностной моды на плато плотности плазмы
с малым отрицательным значением диэлектрической проницаемости. Исследование эффекта нелинейного согласования плавно неоднородной плазмы в условиях совместного влияния пондеро-моторной деформации профиля плотности плазмы в области плазменного резонанса и спонтанно генерируемого квазистационарного магнитного поля установило возможность реализации сложных бистабильных состояний электромагнитного поля в плазме, имеющих результатом гистерезисы в зависимости коэффициента поглощения от интенсивности падающей волны, из-за рассинхрониза-ции возбужденных на скачке плотности поверхностных волн с волной накачки в самосогласованном квазистационарном магнитном поле.
-
Развита адиабатическая теория, основанная на уравнении энергетического баланса, позволяющая получить динамическую картину отражения пучков и импульсов сильного s-поляризованного электромагнитного излучения, падающих на границу раздела линейной и нелинейной фокусирующей сред под углом больше критического угла для полного внутреннего отражения. Данная теория описывает эффекты филаментации излучения и генерации солитонов в нелинейной среде, гигантского нелинейного сдвига Гуса-Хенхен и запаздывания отраженных импульсов, струйного отражения, проникновения излучения в нелинейную среду исключительно дискретными, вполне определенными порциями энергии. Выяснено влияние слабой диссипации энергии в нелинейной среде на перечислеенные эффекты.
-
Теоретически установлен и исследован эффект нелинейного согласования интенсивных электромагнитных волн с однородными слоями плотной (закритической) слабостолкновительной плазмы. Показано, что он связан с явлением нелинейного просветления плотной плазмы под действием силы Миллера и обусловлен возбуждением самосогласованных волноводных каналов в плазменной среде.
-
Сформулирована теория, описывающая взаимодействие радиаци-онно затухающих нелинейных поверхностных волн с границей раздела линейной и кубично нелинейной диэлектрических сред как в отсутствие, так и при наличии внешних, падающих на границу раздела волн. Получена замкнутая система уравнений для траектории центра тяжести волноводного канала в нелинейной
среде и потока энергии в нем. Показано, что в отсутствие падающих волн накачки самосогласованные волноводные каналы могут либо притягиваться границей раздела либо отталкиваться от нее в зависимости от переносимого каналом потока энергии. Эффекты притяжения и отталкивания (нормальной и аномальной рефракции), приводящие либо к.полному исчезновению приповерхностных солитонных состояний, либо к их смещению вглубь нелинейной среды, объясняются конкуренцией двух факторов: неоднородностью среды, стремящейся загнуть лучевые траектории ъ сторону оптически более плотной (линейной) среды, и реакцией излучения из-за высвечивания энергии из канала в линейнуую среду, создающей противоположную тенденцию. Установлено, что стационарные однородные солитонные состояния в форме самосогласованных волноводных каналов, расположенных достаточно далеко от границы раздела, в поле плоской однородной волны накачки, падающей из линейной среды, неустойчивы либо по отношению к смещению оси канала от равновесного положения, либо по отношению к фазовым возмущениям, в зависимости от переносимого в канале потока энергии. Показано, что траектории самосогласованных приповерхностных волноводных каналов очень чувствительны к изменению параметров (амплитуды, ширины, фазы) падающих из линейной среды широких волновых пучков. При этом может происходить как увеличение потока энергии в канале, так и индуцированное высвечивание энергии из канала в зависимости от фазовых соотношений, между волной накачки и нелинейной модой. Изучен механизм возникновения гигантского стимулированного нелинейного эффекта Гуса-Хенхен, который обусловлен резонансным взаимодействием возбужденной нелинейной поверхностной волны, обеспечивающей перенос энергии вдоль границы раздела, с падающим волновым пучком.
Практическое значение работы
Полученные в диссертации результаты по резонансному поглощению электромагнитного излучения в неоднородной плазме и плазменных пленках непосредственно использовались для объяснения результатов экспериментов, проводимых в ИПФ РАН. Результат о линейном просветлении слоев непрозрачной плазмы был подтвержден экспериментально, что привело к созданию узкополосного поляризатора излучения на основе
металл-диэлектрических пленок. Проведенные в работе теоретические исследования могут быть использованы в исследованиях по лазерному УТС, линейной и нелинейной спектроскопии плазмоподобных и диэлектрических сред, применительно к некоторым проблемам нелинейной и интегральной оптики. Развитые в работе теоретические методы и подходы могут быть использованы при исследовании взаимодействия волн неэлектромагнитной природы с квазилокализованными модами и состояниями (например в гидрофизике, квантовой механике). Некоторые результаты, полученные в диссертации, используются в учебном курсе "Введение в спектроскопию твердого тела", читаемом на факультете ВШ ОПФ ННГУ.
Полученные в диссертации результаты можно использовать в следующих научно-исследовательских учреждениях: ФИ РАН, ИОФ РАН, Институте атомной энергии, И С РАН, ФТИ РАН, ИКИ РАН, НИРФИ.
Апробация работы.
Результаты диссертации докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах: Международных конференциях по явлениям в ионизированных газах (Берлин, 1977; Пиза, 1991), Международной конференции по поверхностным волнам в плазме и твердых телах (Охрпд, 1985), Международной конференции по физике плазмы (Киев, 1987), Международной конференции по сверхпроводимости (Глазго, 1991), Европейской конференции по лазерам и электрооптике (Амстердам, 1994), Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Тбилиси, 1985), Всесоюзной конференции по распространению волн (Ленинград, 1984), Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой (Ташкент, 1989; Душанбе, 1991), Всесоюзных семинарах по параметрической турбулентности (Москва, 1984, 1985, 1987, 1988; Алма-Ата, 1986), Российской конференции по физике полупроводников (Н.Новгород, 1993). На всесоюзном семинаре по физике высокотемпературной плазмы (Москва, 1977), на научных семинарах ИПФ РАН, ИФМ РАН, ФИ им. П.Н.Лебедева РАН, ИОФ РАН, НИРФИ, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, Лаборатории им Джоуля Солфорд-ского университета (Англия).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 39 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
