Введение к работе
Актуальность исследования. В последнее время всё большее внимание уделяется теоретическим исследованиям, посвященным взаимодействию с веществом оптических импульсов длительностью до одного периода электромагнитньж колебаний (предельно коротких импульсов (ПКИ) или видеоимпульсов) [1]. При этом абсолютная длительность ПКИ колеблется от единиц до сотен фемгосекунд. Без адекватного теоретического описания невозможен дальнейший прогресс в экспериментальных исследованиях динамики поведения ПКИ в различных средах. В свою очередь появившаяся возможность использования ПКИ в лабораторных условиях [2] стимулирует интерес к теоретическим исследованиям. Сам термин «предельно короткие импульсы» получает всё большее распространение. Его англоязычным эквивалентом являются «extremely short pulses» или «ultimately short pulses». Существует к настоящему времени ещё некоторый разнобой в соответствующей терминологии: иногда пишут об «ультракоротких» или «сверхкоротких» импульсах. Данные термины представляются не совсем удачными, так как их иногда применяют к квазимонохроматическим сигналам, указывая на их малую абсолютную длительность. Часто говорят об «импульсах в несколько периодов колебаний» (англоязычный вариант «few-cycle pulses» [2]). Последний термин часто встречается в зарубежной литературе.
При теоретических исследованиях взаимодействия ПКИ с веществом неприменимо традиционное для оптики квазимонохроматических импульсов приближение медленно меняющихся амплитуд и фаз (ММАФ), поскольку само понятие несущей частоты для видеоимпульса теряет смысл. Это обстоятельство вызывает необходимость новых подходов к описанию динамики ПКИ в различных средах.
Эффекты нелинейного распространения ПКИ в изотропных средах исследованы достаточно подробно [1, 3,4]. Из-за наличия в таких средах центра симметрии в разложении поляризации по степеням электрического поля присутствуют лишь нечётные степени последнего при условии, что спектр импульса принадлежит области оптической прозрачности среды. Следует заметить, что среду часто рассматривают или феноменологически или, исходя из упрощённой двухуровневой модели, что существенно ограничивает область применения полученных результатов, особенно для ПКИ из-за большой ширины его спектра.
Анизотропия среды является необходимым условием наличия чётных степеней электрического поля в вьппеупомянугом разложении. При распространении в такой среде волна уже не является строго поперечной. Поэтому, в отличие случая изотропных сред, необходимо учитывать векторный характер поля ПКИ, а нелинейные восприимчивости считать тензорными величинами. В некоторых работах используется упрощённая, скалярная модель, когда учитывается лишь одна компонента электрического поля ПКИ [1]. Кроме того, при теоретическом рассмотрении часто исходят из феноменологических представлений о среде, не учитывая квантовомеханические особенности атомов и молекул. При этом теоретические модели либо используют разложение поляризации по степеням электрического поля в присутствие тензора нелинейньж восприимчивостей второго и (или) третьего порядков, либо в качестве материальных уравнений предлагается анизотропный осциллятор с кубической или квадратичной нелинейностью [5]. В настоящее время отсутствует общий подход к исследованиям распространения ПКИ в анизотропных средах, что делает актуальной предложенную в диссертации тему.
Диссертация посвящена теоретическому исследованию самосогласованной динамики распространения ПКИ в средах с одноосной оптической анизотропией на основе квантовоме-ханических представлений о строении вещества и с учётом дифракционных и поляризационных явлений.
Цель работы:
Теоретическое исследование распространения ПКИ _в различных анизотропных средах с учётом дисперсии и нелинейности поляризационного^ ЗД&ЩЙ) H^ESffRSBPf^' электронно-
КА I
БИБЛИОТЕКА СПетері
о»
колебательной и ионной природы на основе квантовомеханического подхода о строении вещества.
В качестве объектов исследования выбраны предельно короткие импульсы, распространяющиеся в анизотропньж многоуровневых квантовых средах, что представляет интерес для дальнейших теоретических исследований в области нелинейной оптики ПКИ. Предмет исследования также имеет приложения в области спектроскопии и информационных технологий.
В ходе выполнения работы были решены задачи:,
Изучено влияние квантовых переходов, лежащих в области прозрачности и перекрываемых спектром импульса, на динамику распространения ПКИ в анизотропньж нелинейньж диспергирующих средах.
Без использования приближения ММАФ получено описание поляризационного отклика электронной и электронно-колебательной природы в средах с искусственной и естественной анизотропией.
3. Найдены условия устойчивости распространения солитоноподобньж ПКИ по отноше
нию к поперечным возмущениям.
4. Установлено, что эффективная генерация ПКИ необыкновенной компоненты с помощью
обыкновенной квазимонохроматической волны за счёт нелинейного взаимодействия в режиме
резонанса Захарова - Бенни возможна в кристаллах с положительным двулучепреломлением.
Устойчивые предельно короткие солитоны способны сформироваться в спектральной области
нормальной дисперсии при пороговой интенсивности входного импульса порядка 1013 - 1014
Вт/см2.
5. Установлены особенности комбинационного эха при возбуждении среды предельно ко
роткими импульсами в присутствии нерезонансной монохроматической накачки.
Новизна результатов состоит в том, что впервые:
Исследовано влияние квантовых переходов, принадлежащих области прозрачности и перекрываемых спектром импульса, на динамику распространения ПКИ в изотропных и анизотропньж средах [А1 - А6, А10].
Предложен механизм генерации ПКИ необыкновенной компоненты с помощью обыкновенной квазимонохроматической волны за счёт нелинейного взаимодействия в режиме резонанса Захарова - Бенни [А7 - А8, А10].
Исследованы особенности сигналов комбинационного эха при возбуждении среды с помощью ПКИ [А9].
Исследовано влияние большого числа нормальных молекулярных колебательных мод на характер протекания процессов вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) [ А9].
Теоретическая и практическая значимость обусловлена тем, что использованный в настоящей работе подход к исследованию распространения ПКИ в анизотропньж средах, может быть успешно использован при рассмотрении других физических ситуаций, связанных с динамикой ПКИ. Эффекты, предсказанные в ходе исследования, могут найти применение при разработке новьж методов оптической обработки и передачи информации, а также при спектроскопических исследованиях. Положения, сформулированные в настоящей диссертации, способны стимулировать постановку новьж экспериментов.
Положения, выносимые на защиту:
1. Материальные уравнения для электронного отклика обыкновенной и необыкновенной поляризационных компонент в спектральной области прозрачности имеют вид неоднородной системы уравнений типа Хенона - Хейлеса для сред с естественной анизотропией, и Гарнье - в случае наведённой анизотропии [A3, А5, А6, А10].
Квантовые переходы, перекрываемые спектром предельно короткого импульса, создают в противовес переходам, лежащим в области прозрачности, дефокусирующий эффект [А1-А6.А10].
Обыкновенная компонента импульса с ярко выраженной несущей частотой способна порождать видеоимпульс необыкновенной составляющей в режиме резонанса Захарова — Бенни в оптически одноосных средах с положительным двулучепреломле-нием[А7,А8,А10].
Обобщение квантовомеханической модели Бломбергана - Шена, описывающей процессы вынужденного комбинационного рассеяния [А9, А10].
Комбинационный эхо-отклик на системе молекул, возбуждённых двумя предельно короткими импульсами, имеющих К нормальных колебательных мод, при выполнении условий пространственного синхронизма, может содержать К(К+1) сгоксовых и антистоксовых компонент, соответствующих каждой колебательной моде [А9].
Достоверность результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов теоретической и математической физики; анализом 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 VIII Международных чтениях по квантовой оптике (Казань, 1999г.), «Фундаментальные проблемы оптики» (Санкт-Петербург, 2000, 2002 гг.), на XI Всероссийской научной школе «Нелинейные волны - 2002» (Нижний Новгород, 2002 г.), «International Quantum Electronics Conference (IQEC)» (Moscow, 2002), IX Международных чтениях по квантовой оптике (Санкт-Петербург, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ ( 7 из них в научных журналах «Proceedings of SPIE», «Известия Академии наук. Серия физическая», «Квантовая электроника», «Оптика и спектроскопия», «Письма в ЖЭТФ», ЖЭТФ).
Структура и объём. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 106 наименований, включает 12 рисунков. Общий объём диссертации составляет 122 страницы.
