Введение к работе
Актуальность исследования. К настоящему времени можно считать
сформировавшимся направление исследований, связанных с нелинейной
динамикой лазерных импульсов длительностью порядка одного периода
оптических колебаний, (предельно коротких импульсов (ПКИ)). Из-за
отсутствия у ПКИ ярко выраженной несущей частоты при построении
соответствующих теоретических моделей нельзя пользоваться
стандартным для квазимонохроматических импульсов (КМИ)
приближением медленно меняющихся амплитуд и фаз (ММАФ).
В этой связи исследования распространения ПКИ в веществе приобретает актуальность как с сугубо научной, так и с прикладной точек зрения.
В теоретических исследованиях, описывающих динамику ПКИ не в терминах огибающей, а в терминах самого электрического поля Е импульса, было предложено использовать приближение спектрального перекрытия (СП), соответствующее сильному возбуждению переходов полем ПКИ и оптической прозрачности (ОП), которое заключается в слабом взаимодействии среды с полем ПКИ из-за отсутствия в спектре последнего резонансных фурье-компонент.
Немаловажную роль в поперечной динамике ПКИ, как и в случае КМИ должна играть дифракция. Известно, что дифракционные эффекты способны подавлять самофокусировку, если мощность импульса ниже определенного порогового значения. Очевидно, в случае ПКИ роль дифракции должна быть значительно сложнее, чем для КМИ, т.к самофокусировка сопровождается сильным продольным самосжатием импульса, что для КМИ не сопровождается изменением спектрального состава, а для ПКИ, сдвигает центральную частоту спектра в фиолетовую область и уширяет сам спектр. Настоящая работа посвящена теоретическим исследованиям динамики предельно коротких импульсов в системе туннельных квантовых переходов с учетом поперечных возмущений.
Цель работы. Теоретическое исследование распространения ПКИ в средах, в том числе анизотропных, содержащих туннельные переходы, с учетом эффектов поперечной динамики.
В качестве объекта исследования выбраны предельно короткие импульсы, распространяющиеся в квантовых средах, содержащих туннельные переходы, что представляет интерес для исследованной в области нелинейной оптики ПКИ. Предмет исследований так же имеет приложение в области информационных технологий.
В ходе исследования решены задачи:
-
Исследовано нелинейное распространение предельно коротких (без высокочастотного заполнения) электромагнитных импульсов в сегнетоэлектрике типа KDP при температуре, близкой к температуре фазового перехода при активной роли электронно-оптических и туннельных переходов.
-
Исследовано влияние дифракции на распространение предельно коротких, не содержащих высокочастотного заполнения, импульсов в водородосодержащих сегнетоэлектриках Исследован вопрос о поперечной устойчивости бризеров одномерного уравнения синус-Гордона, распространяющихся в системе туннельных переходов с учетом дифракции.
-
Исследована динамика предельно короткого электромагнитного импульса в среде, содержащей систему анизотропных туннельных переходов, перекрываемых спектром импульса.
Научная новизна заключается втом, что впервые:
-
Исследовано нелинейное распространение предельно коротких (без высокочастотного заполнения) электромагнитных импульсов в сегнетоэлектрике типа KDP при температуре, близкой к температуре фазового перехода.
-
Исследована роль дифракции в распространении предельно коротких, не содержащих высокочастотного заполнения, импульсов в водородосодержащих сегнетоэлектриках при активной роли электронно-оптических и туннельных переходов.
-
Предложена модификация усредненного вариационного принципа для исследования вопроса о поперечной устойчивости бризеров одномерного уравнения синус-Гордона, распространяющихся в системе туннельных переходов и обнаружено критическое количество колебаний для которого дифракция не может препятствовать самофокусировке бризера.
-
Исследована динамика предельно короткого электромагнитного импульса в среде, содержащей систему анизотропных туннельных переходов, перекрываемых спектром импульса.
Положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Мощный электромагнитный предельно короткий импульс, спектр которого перекрывает туннельные переходы в водородосодержащем сегнетоэлектрике, способен распространяться в стационарном режиме без изменения формы в окрестности температуры фазового перехода, где слабые монохроматические волны испьпывают сильное затухание. 2. Дефокусирующий эффект для предельно короткого импульса в системе туннельных и электронно-оптических переходов превалирует над самофокусировкой, если его поперечный размер превышает
критическое значение, определяемое туннельными параметрами, а амплитуда ниже величины, выражаемой через параметры туннельных и электронно-оптических переходов.
-
На эйкональной стадии бризеры, распространяющиеся в системе туннельных переходов, всегда испытывают самофокусировку. Существует критическое количество осцилляции, содержащихся в бризире, для которого дифракция не способна препятствовать самофокусировке.
-
При солитноподобных режимах распространения предельно коротких импульсов, состоящих из обыкновенной, необыкновенной и продольной компонент вдоль и поперек оси анизотропии туннельных квантовых переходов в случае равенства обыкновенного и необыкновенного показателей преломления, последние испытывают сильное возбуждение с возвратом к исходному состоянию.
-
Если обыкновенный и необыкновенный показатели преломления различны, распространение происходит в режиме рациональных солитонов. При доминировании обыкновенной компоненты происходит сильное возбуждение туннельных переходов, в противоположном случае солитоноподобный режим сопровождается пленением населенности туннельных переходов.
Практическая значимость полученных результатов обусловлена тем, что использованный в настоящей работе подход к исследованию распространения бризеров, может быть успешно использован при рассмотрении других физических ситуаций, связанных с динамикой ПКИ. Эффекты, предсказанные в ходе исследования, могут найти применение при разработке новых методов оптической обработки и передачи информации. Положения, сформулированные в настоящей диссертации, способны стимулировать постановку новых экспериментов.
Достоверность результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов теоретической и математической физики; анализ задач на основе современных квантовомеханических представлений о природе вещества; из полученных общих выводов следуют как частные случаи известные результаты.
Апробация результатов. Результаты, представленные в диссертации, докладывались ранее на различных научных конференциях, в том числе на NLMI-9 (С. Петербург-Пушкин, 1996 г), IX Международных чтениях по квантовой оптике (Санкт-Петербург, 2003), Фундаментальные проблемы оптики «ФПО-2004» (Санкт-Петербург, 2004). Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в журналах ЖЭТФ, «Квантовая электроника», «Физика твердого тела», «Известия ВУЗов. Физика», сборниках трудов конференции «Proceeding of
SPIE», сборнике трудов конференции «ФПО-2004».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
