МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи

УДК 535.2:621.373.826

Украинский Алексей Оскарович

ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ САМОВОЗДЕЙСТВИЕ

ИМПУЛЬСОВ ПРЕДЕЛЬНО КОРОТКИХ ДЛИТЕЛЬНОСТЕЙ

В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СРЕДАХ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2003 г.

Работа выполнена на кафедре фотоники и оптоинформатики СанктПетербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Доктор физико-математических наук,

Научный руководитель:

профессор Козлов С.А.

Доктор физико-математических наук,

Официальные оппоненты:

профессор Либенсон М.Н.

Кандидат физико-математических наук, доцент Белашенков Н.Р.

Федеральное государственное

Ведущая организация:

унитарное предприятие “Научноисследовательский институт лазерной физики” (г. С.-Петербург)

Защита диссертации состоится 18 ноября 2003 года в 15 часов 30 минут в аудитории 308 на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при СанктПетербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат диссертации разослан 12 октября 2003 г.

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь Новиков А.Ф.

диссертационного совета Д 212.227.02, доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В настоящее время созданы лазерные системы, способные генерировать импульсы, которые состоят из малого числа колебаний светового поля.

Импульсы из числа колебаний порядка и менее десяти уже принято называть предельно короткими импульсами (ПКИ).

ПКИ могут взаимодействовать с веществом без разрушения последнего (по крайней мере, за длительность импульса) обычно при гораздо более высоких интенсивностях излучения, чем у более длинных импульсов. Поэтому в поле ПКИ можно наблюдать нелинейные явления, редко встречающиеся до сих пор даже в поле оптических импульсов пикосекундных длительностей, – например, сильное уширение временного спектра импульса при взаимодействии с нелинейными средами до размеров, сравнимых с центральной частотой излучения (генерация спектрального суперконтинуума (ССК)).

Использование ПКИ с континуумным спектром открывает новые возможности в различных областях науки и техники. Длительность ПКИ определяет новый масштаб измерения временных процессов в видимом и ближнем ИК диапазоне, а широкие спектры – возможность все более точных спектральных измерений. Кроме того, сфазировав ССК, можно получить световые образования, состоящие всего из одного – двух колебаний светового поля, – действительно предельно коротких по числу колебаний импульсов. В настоящее время уже разработаны и используются оптические устройства, позволяющие сжимать фемтосекундные импульсы, как при распространении, так и при их отражении; известны эксперименты по получению световых образований аттосекундного временного диапазона.

Разработка техники получения и управления параметрами фемтосекундных импульсов открывает широкие возможности для создания информационных оптических систем, по характеристикам на порядки превышающих существующие сейчас. Одно из важных ограничений промышленно используемых в настоящее время систем – обработка информации электронными устройствами. Поэтому в настоящее время активно исследуются возможности создания сверхбыстрых оптических переключателей, логических вентилей, мультиплексоров, нелинейных фильтров и т.п. Один из методов создания таких устройств, уже достаточно давно обсуждающийся в литературе, – поляризационное управление параметрами импульсов. К моменту начала работы широко изучалось взаимодействие линейно поляризованных ПКИ с веществом, а публикаций по изучению ПКИ произвольной поляризации было мало. Поэтому работы по исследованию поляризационных эффектов при взаимодействии импульсов предельно коротких длительностей с веществом представляются актуальными.

Цель работы Выявление основных закономерностей нелинейной динамики поляризации импульсов, состоящих из малого числа колебаний светового поля, при их распространении в прозрачных изотропных оптических средах с нерезонансной нелинейностью, а также при их отражении от таких сред.

Задачи исследования 1. Построение уравнений, описывающих самовоздействие ПКИ произвольной поляризации в изотропных диэлектрических средах с нерезонансной электронной нелинейностью и анализ пределов их применимости.

2. Выявление основных закономерностей поляризационного самовоздействия ПКИ при их распространении в оптических волноводах.

3. Разработка метода анализа отражения ПКИ произвольной поляризации от изотропных диэлектрических сред с нерезонансной электронной нелинейностью.

4. Выявление основных закономерностей нелинейного отражения ПКИ с произвольной поляризацией при их падении на границу раздела диэлектрических сред.

Научные положения, выносимые на защиту 1. Выведено уравнение, описывающие эволюцию сверхшироких спектров сверхкоротких импульсов с произвольной поляризацией, в том числе состоящих лишь из нескольких колебаний светового поля, в изотропных оптических средах с произвольной дисперсией линейного показателя преломления и нерезонансной электронной нелинейностью. Показано, что в предельном случае среды со слабой дисперсией полученное уравнение сводится к известному векторному модифицированному уравнению Кортевега де Вриза, являясь обобщением последнего на случай сред с произвольной дисперсией.

2. Показано, что поляризационное самовоздействие импульсов из малого числа колебаний светового поля в прозрачных изотропных средах с нерезонансной нелинейностью проявляется в неоднородном по импульсу самовращении эллипса поляризации, приводящем к формированию концом вектора напряженности электрического поля в плоскости фронта волны (на фазовом портрете) S-образных аттракторов. Показано, что эллиптичность колебаний, составляющих наиболее интенсивную часть импульса, при этом меняется слабо.

3. Показано, что эффективность сверхуширения спектра импульса из малого числа колебаний светового поля в прозрачных изотропных средах с нерезонансной нелинейностью гладко уменьшается при изменении входной поляризации импульса от линейной до циркулярной (при сохранении его входной энергии и длительности). Например, в смоделированном случае распространения импульсов в полом волноводе, заполненном аргоном, при уширении спектра в десять раз (для линейно поляризованного излучения) разница в уширении спектра линейно поляризованного и циркулярно поляризованного импульсов составляла 20%. При этом эффективность генерации колебаний на утроенной частоте падала в 20 раз.

4. Выведено уравнение, описывающее временную зависимость параметров отраженного излучения от параметров падающего, при нормальном падении импульсов произвольной поляризации, содержащих малое число колебаний светового поля, на границу раздела прозрачных изотропных сред с дисперсией, одна из которых линейная, а нелинейность другой имеет нерезонансную электронную природу.

5. Показано, что укорочение длительности эллиптически поляризованного импульса из малого числа колебаний светового поля при отражении от среды, нелинейность которой имеет нерезонансную электронную природу, может сопровождаться сжатием фазового портрета отраженного импульса без его поворота.

Научная новизна Все результаты, включенные в положения, выносимые на защиту, являются новыми.

Практическая значимость работы 1. Получены новые спектральные уравнения, описывающие эволюцию сверхшироких спектров сверхкоротких импульсов с произвольной поляризацией, в изотропных оптических средах с дисперсией произвольного вида и нерезонансной электронной нелинейностью.

2. Разработан программный комплекс для проведения инженерных расчетов, визуализации и анализа поляризационного самовоздействия ПКИ при их распространении в изотропных диэлектрических средах с нерезонансной электронной нелинейностью, а также при нелинейном отражении от таких сред.

3. Предложен принцип построения оптического поляризационного умножителя, основанного на анализе генерации третьей гармоники в спектре распространяющегося в нелинейной среде импульса.

4. Продемонстрирована возможность управления длительностью отраженного импульса при отражении ПКИ от нелинейной среды в случае, когда линейные показатели преломления граничащих диэлектрических сред выровнены.

Апробации работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на IV и VII Международных Симпозиумах по Фотонному Эхо и Когерентной Спектроскопии (Йошкар-Ола, 1997, Великий Новгород, 2001); III и IV Международных Конференциях по Лазерной Физике и Спектроскопии (Гродно, Беларусь, 1997, 1999); XIV Международной Конференции по Когерентной и Нелинейной Оптике (Москва, 1998); V Конгрессе по Современной Оптике (Будапешт, Венгрия, 1998); I и II Конференциях «Фундаментальные проблемы оптики» в рамках I и II Международных Оптических Конгрессов "Оптика- век" (С.-Петербург, 2000 и 2002); Interdisciplinary International Conference on Polarization Effects in Lasers, Spectroscopy and Optoelectronics (Southampton, UK, 2000); X Конференции по Нерезонансному Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (С.-Петербург, 2000); X Конференции по лазерной оптике (С.-Петербург, 2000); XVII Interdisciplinary Laser Science Conference (Los Angeles, USA, 2001).

Личный вклад Диссертант принимал участие в постановке и решении задач, обработке и обсуждении полученных результатов. Представленные результаты расчетов выполнены диссертантом. Работы [6,7,10] выполнены автором самостоятельно, в работах [1-5,8,9] вклад автора диссертации был равноценным.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, и списка литературы, содержащего 149 наименований. Работа изложена на 111 страницах, включая 30 рисунков и 1 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы ее цель, задачи и основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе, носящей обзорный характер, рассмотрены экспериментальные результаты по получению спектрального суперконтинуума в изотропных средах. Рассмотрены теоретические и экспериментальные работы по анализу генерации третьей гармоники оптическими импульсами коротких длительностей. Обсуждаются публикации по анализу взаимодействия произвольно поляризованных импульсов с веществом, поляризационному управлению параметрами распространяющихся в среде импульсов и по анализу отражения лазерных импульсов от нелинейных сред. Обсуждаются статьи, посвященные изучению эффектов нового временного порядка в оптике – генерации аттосекундных импульсов.

Во второй главе представлен вывод системы укороченных спектральных уравнений, описывающих эволюцию сверхшироких спектров сверхкоротких импульсов с произвольной поляризацией при однонаправленном распространении в изотропных диэлектрических средах с нерезонансной электронной нелинейностью. В первом параграфе приводится волновое уравнение общего вида, которое может быть получено из системы уравнений Максвелла, описывающее распространение электромагнитного поля в немагнитной среде. Так как в работе изучается распространение оптического излучения с неизменной поперечной структурой, далее волна рассматривается как плоская. Для нахождения решения система дополняется материальными уравнениями, описывающими поляризационный отклик среды. Линейный поляризационный отклик учитывается дисперсией линейного показателя преломления произвольного вида n(), в общем случае, комплексного, а нелинейный вводится в виде нерезонансного электронного отклика PNL = E 2 E, где – кубическая восприимчивость, а E ( z, t ) – поле плоской волны произвольной поляризации. Далее система волнового и материальных уравнений преобразуется в систему нелинейных интегро-дифференциальных уравнений для временных спектров G x ( z, ) и G y ( z, ) декартовых компонент распространения излучения в веществе уравнения укорачиваются. Во втором параграфе описана процедура укорочения, которое проводилось r в предположении малости нелинейного поляризационного отклика PNL относительно линейного отклика среды, что справедливо при распространении импульсов с такими интенсивностями, при которых не происходит формирование плазмы. В результате, полученная система имеет вид декартовых компонент E x ( z, t ), E y ( z, t ) поля импульса произвольной поляризации, z – направление распространения плоской волны. Эти уравнения описывают, в том числе, и распространение световых образований произвольной поляризации, состоящих лишь из нескольких колебаний светового поля, поскольку при их построении не использовались приближение медленно меняющейся огибающей или медленно меняющегося профиля. В третьем параграфе показано, что в предельном случае среды с нормальной дисперсией, описываемой феноменологическим соотношением