Эффекты линейного и нелинейного рассеяния лазерного излучения на микросферах в условиях возбуждения структурных резонансов оптического поля тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Панина, Екатерина Константиновна

• Панина, Екатерина Константиновна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Панина, Екатерина Константиновна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА I. РЕЗОНАНСЫ ВНУТРЕННЕГО ОПТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРОЗРАЧНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ЧАСТИЦ

1Л. Классификация резонансов. Спектральное положение, добротность

1.2. Аналитические формулы для вычисления характеристик резонансных мод сферических частиц

1.3. Сравнение алгоритма, с эталонными расчетами

Краткие выводы по главе 1

ГЛАВА II. ФОРМИРОВАНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ФОТОННЫХ ПОТОКОВ ("ФОТОННЫХ СТРУЙ") ОТ ОДНОРОДНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОЧАСТИЦ

2.1. Основные характеристики "фотонных струй" от диэлектрической сферы

2.1.1. Влияние размера частицы

2.1.2. Влияние поглощения вещества частицы

2.1.3. Влияние показателя преломления

2.2. "Фотонная струя" при резонансах оптического поля прозрачных диэлектрических микросфер

2.2.1. Микрочастица в условиях резонансного возбуждения МШГ

2.2.2. Пространственные и мощностные характеристики ФС при резонансном возбуждении микрочастиц

2.3. Пространственные и мощностные характеристики нанополей вблизи изолированных сферических металлических частиц

2.3.1. Поверхностные плазмонные резонансы в металлах

2.3.2. Плазмонные поверхностные моды сферических металлических наночастиц

2.3.3. Сферические наночастицы с металлической оболочкой

2.4. Сравнение эффектов "фотонной струи" от диэлектрических

микрочастиц и плазмонных резонансов металлических наночастиц

Краткие выводы по главе II

ГЛАВА III. ЭФФЕКТ "ФОТОННОЙ СТРУИ" ДЛЯ ГРАДИЕНТНО-НЕОДНОРОДНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОЧАСТИЦ

3.1. Влияние толщины оболочки на характеристики ФС двухслойной сферической микрочастицы

3.2. Типы композитных сферических частиц

3.3. Критерий качества ФС

3.4. Сравнительный анализ пространственных форм "фотонных струй" от сферических диэлектрических микрочастиц

3.4.1. Структурные типы ФС

3.4.2. Однородные частицы: нерезонансные ФС

3.4.3. Однородные частицы: резонансные ФС

3.4.4. Радиалъно-неоднородные многослойные сферические частицы

Краткие выводы по главе III

ГЛАВА IV. ИМПУЛЬСНОЕ УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СФЕРИЧЕСКОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ

4.1. Нестационарное рассеяние излучения на сферической частице. Спектральный подход

4.2. Интегральные факторы эффективности рассеяния, поглощения

4.3. Особенности формирования оптического поля прозрачной сферической

частицы при облучении ее ультракоротким амплитудно-модулированным пространственно-ограниченным лазерным пучком

4.3.1. Структура оптических полей при облучении сферической микрочастицы монохроматическим пространственно-ограниченным световым пучком

4.3.2^_Особенности формирования оптических полей при облучении сферической частицы цугом фемтосекундных лазерных импульсов

4.4. Частотно-импульсный режим возбуждения прозрачной сферической микрочастицы чирпированным ультракоротким лазерным излучением

4.5. Нестационарная "фотонная струя"

4.5.1. Теоретическая модель нестационарного рассеяния лазерного импульса на частице

4.5.2. Максимальная интенсивность ФС

4.5.3. Форма и параметры ФС

Краткие выводы по главе IV

ГЛАВА V. НЕЛИНЕЙНО - ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВЫНУЖДЕННОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА В СФЕРИЧЕСКИХ МИКРОЧАСТИЦАХ

5.1. Теоретическая модель процессов вынужденного рассеяния света в сферических частицах

5.2. Энергетический порог возникновения вынужденного рассеяния при резонансах внутреннего оптического поля частиц

5.3. Нелинейная восприимчивость среды при процессах BP

5.3.1. Вынужденное комбинационное рассеяние

5.3.2. Вынужденное рассеяние Манделыитама-Бриллюэна

5.3.3. Вынужденная флуоресценция

5.4. Угловые характеристики поля вынужденного рассеяния от прозрачных сферических частиц

5.4.1. Характеристики углового распределения интенсивности вынужденного комбинационного рассеяния от сферических частиц

5.4.2.Характеристики углового распределения интенсивности многофотонно возбужденной флуоресценции в сферических каплях

Краткие выводы по главе V

Заключение

Литература

ПРИЛОЖЕНИЕ I. ТЕОРИЯ МИ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И СООТНОШЕНИЯ

A. Выражения для оптических полей в окрестности сферической частицы

B. Сферические вектор - гармоники

C. Модель композитной частицы и теория Ми для многослойной сферы

D. Разложение электромагнитного поля фокусированного гауссового пучка в ряд по сферическим гармоникам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эффекты линейного и нелинейного рассеяния лазерного излучения на микросферах в условиях возбуждения структурных резонансов оптического поля»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований

Диссертационная работа выполнена в рамках научного направления -оптика атмосферного аэрозоля, являющегося одним из важнейших разделов оптики атмосферы. Актуальность данного направления обусловлена широким использованием лазерных источников в устройствах атмосферной оптической связи, навигации, лазерного мониторинга природных и техногенных сред, а также во многих других практических приложениях [1, 2]. Большой раздел современной оптики атмосферных аэрозолей связан с изучением взаимодействия света с широко распространенным в атмосфере капельным аэрозолем (туман, облака), представляющим собой, как правило, сферические частицы микронных размеров с низким поглощением в видимой части спектра. Развитие компьютерных технологий стимулировало новый этап теоретических исследований по оптике микрочастиц. Здесь с использованием классической теории рассеяния излучения на сфере - теории Ми [3], а также ее обобщений для пространственно-ограниченного (сфокусированного) излучения [4-7] и ультракоротких лазерных импульсов [8], открылись перспективы проведения более строгих и детальных расчетов оптических полей, появилась возможность построить новые, более реалистичные модели физических процессов. В первую очередь такие исследования были важны для интерпретации экспериментальных результатов по эффектам вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) и вынужденной флуоресценции (ВФ), наблюдаемых при освещении, как изолированных микрочастиц, так и целых аэрозольных ансамблей лазерным пучком [9-15]. Кроме того, к концу 1990-х, началу 2000-х годов в связи с развитием фемтосекундной атмосферной оптики [16-18] возникла необходимость исследования рассеяния светового излучения на частицах в существенно нестационарных условиях.

Сферические микрочастицы различной физической природы и структурного состава являются также весьма перспективными объектами ряда современных оптических технологий таких, как Раман-спектроскопия [19, 20], оптоэлектроника [21], биосенсорика [22], оптическая микроскопия [23], создание миниатюрных лазеров [24] и др. Диэлектрическая микрочастица в оптическом диапазоне длин волн является высокодобротным оптическим резонатором [25-27] и, следовательно, обладает уникальной способностью концентрировать в своем объеме энергию падающего светового излучения, способствуя многократному понижению энергетических порогов различных нелинейных эффектов [12, 28]. Оптические элементы на основе прозрачных микрочастиц, совмещая в себе резонансные и нелинейные свойства, выгодно отличаются от традиционных устройств бегущей волны удобством согласования с внешними цепями, простотой реализации. Кроме того, микрочастицы проявляют малую чувствительность к разрушению и перегреву, что открывает определенные перспективы их использования в качестве базовых элементов памяти оптических микрокомпьютеров и других устройств микроэлектроники [29].

Проблема преодоления дифракционного предела в пространственном разрешении различных устройств дифракционной волновой оптики [30], необходимость существенного повышения напряженности

электромагнитного поля в области его локализации при заданной величине энергии излучения, задачи манипулирования сверхмалыми объектами [31-33] также являются актуальными в свете развития нанофотоники, изучающей оптические поля и поведение света на нанометровой шкале [34]. В этой связи для создания высоко локализованного в пространстве интенсивного светового потока относительно недавно было предложено использовать эффект фокусировки света микронными частицами [23], когда вблизи их поверхности формируется, так называемая, «фотонная (нано)струя» (ФС). Природа возникновения ФС связана с аберрационной фокусировкой излучения поверхностью сферы, что при определенных условиях приводит к

конструктивной интерференции световых полей рассеянного и прошедшего частицу излучения. При этом спецификой ФС является достаточно высокая пространственная локализация светового поля в поперечном направлении (вплоть до дифракционного предела), а также аномальная протяженность (десятки длин волн) в направлении падения излучения.

Интерес к эффекту ФС обусловлен, главным образом, перспективами его практического применения в нанофотонике, биологии, медицине, наноэлектронике, системах хранения данных (см. обзор [35]). ФС обеспечивает высокую интенсивность электромагнитного поля в фиксированной пространственной области вблизи микрочастицы, и одновременно обладает высокой чувствительностью к различного рода возмущениям как полевой, так и материальной природы. Поэтому всестороннее изучение структуры ближней зоны дифракции светового поля, формируемой у поверхности слабо поглощающих диэлектрических частиц микронных размеров, является одним из важных аспектов проблемы.

Все выше перечисленное составляет существенную часть вопросов, которые рассматриваются в рамках проблемы оптики аэрозоля. В настоящее время они являются наиболее востребованными для практических приложений и многие из них имеют экспериментальное описание, однако к моменту начала работы над диссертацией данные вопросы оказались в большинстве случаев недостаточно теоретически изученными. Анализу и обобщению комплексных вопросов взаимодействия лазерного излучения с изолированной сферической микрочастицей и посвящена данная диссертация.

Состояние вопроса исследований

Нелинейно-оптические эффекты вынужденного рассеяния (ВР) света в слабо поглощающих сплошных средах известны в научной литературе

достаточно давно. Однако лишь недавно, в конце 1970-х, начале 1980-х годов, было обнаружено существование данных эффектов и в веществе, находящемся в дисперсном состоянии. Именно из-за малого размера микронная частица долгое время не рассматривалась в качестве объекта для подобного рода исследований, т.к. оценки, проведенные по модели бегущих волн, показали, что порог ВР превышает порог пробоя аэрозольных частиц. Тем не менее, оказалось [25-27], что сферическая частица, благодаря способности фокусировать в своем объеме падающее электромагнитное излучение, а также наличию собственных высокодобротных колебательных мод, является уникальным оптическим миниатюрным устройством, способным накапливать энергию светового поля многократно увеличивая длину нелинейного взаимодействия волн.

Одним из главных преимуществ оптических резонаторов на базе прозрачных сферических микрочастиц, часто называемых в литературе резонаторами на модах шепчущей галереи (МШГ), перед традиционными резонаторами является исключительно высокая добротность и миниатюрные размеры, что, в частности, обеспечивает и аномально низкий порог проявления различных нелинейно-оптических эффектов. Благодаря сочетанию данных факторов сферическая микрочастица является объектом, который активно исследуют и широко применяют во всем мире.

Среди пионерских работ здесь следует отметить серию публикаций авторского коллектива из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова под руководством В.Б. Брагинского, в которых впервые сообщается о создании оптического микрорезонатора из плавленого

о

кварца с добротностью 3x10 [36]. Позже в [37] продемонстрирована предельная добротность 8><109, ограниченная только фундаментальными потерями в кварце. Эти публикации вызвали огромный интерес в научном сообществе, что подтверждается их высоким индексом цитирования 181 ~ 220.

К моменту начала исследований автором данных вопросов, в научной литературе был накоплен достаточно обширный экспериментальный материал по наблюдению эффектов вынужденного рассеяния света в частицах микронных размеров. Здесь следует отметить целый ряд экспериментальных исследований [10-15, 38]. Вместе с тем, существовавшие на то время теоретические представления позволяли в большинстве случаев лишь качественно описать процесс ВР в сферических частицах и не давали количественной информации о характеристиках данных эффектов. Более того, в ряде случаев теоретическая интерпретация наблюдаемых в экспериментах закономерностей отсутствовала вовсе.

Среди теоретических работ по исследованию ВР в прозрачных

частицах особо следует выделить работу [28], где для стационарного

источника накачки был найден порог вынужденного рассеяния

Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ) при различных условиях взаимодействия

оптических и акустического полей. Однако в случае ВКР необходимо было

более детальное исследование взаимодействия мод, поскольку частотный

1

сдвиг рассеянной волны ВКР значительно больше (-10 Гц), чем для ВРМБ (~Ю10 Гц).

При исследовании пороговой интенсивности ВКР, возбуждаемого в сферических микрочастицах экспериментально был установлен ряд интересных эффектов, также не нашедших теоретического объяснения. В частности, при наложении определенных условий на спектральный состав и временной режим накачки в экспериментах регистрировалось существенное понижение порога ВКР [12]. Аналогичный эффект наблюдался и при одновременном возбуждении в частице процессов ВКР и ВРМБ [39]. В связи с этим, несомненный интерес представляло проведение теоретического анализа, который бы позволил дать количественную оценку энергетических порогов рассматриваемых эффектов ВР при различных условиях возбуждения. Это способствовало выработке практических рекомендаций по

и

наиболее эффективному возбуждению лазерным излучением процессов вынужденного рассеяния в микронных частицах.

Наряду с пороговыми и спектральными характеристиками процесса ВКР, важным является описание углового распределения интенсивности неупруто рассеянного излучения от частицы. Экспериментально было показано [40], что направленность ВКР из частицы при одномодовом возбуждении нелинейного процесса симметрична в направлениях вперед и назад. Теоретические оценки, проведенные в работе [41], а также экспериментальные исследования [14] показали, что при многомодовом режиме возбуждения ВКР диаграмма рассеяния теряет свою симметрию. В связи с этим потребовалось более детальное рассмотрение закономерностей углового распределения интенсивности ВКР при условии развития на одной или нескольких собственных модах сферической частицы, при различных комбинациях этих мод, их поляризации и добротности.

Создание лазерных источников, генерирующих импульсы излучения сверхкороткой длительности (до единиц фс), привело к необходимости учета нестационарности самого процесса рассеяния световой волны на микрочастице. Теоретические исследования нестационарного рассеяния света базируются на решениях уравнений Максвелла в полной постановке с учетом временной изменчивости полей.

Пожалуй, самым широко используемым подходом к решению данной задачи явился известный из радиофизики метод спектрального Фурье-анализа временных сигналов, который был впервые успешно применен в середине 1990-х годов научной группой К.С. Шифрина для точного расчета временной динамики рассеянного поля на микросфере [8]. Данная методика позволяет свести задачу о нестационарном рассеянии импульса, имеющего спектральное распределение, к рассеянию на частице набора монохроматических Фурье-гармоник. При этом рассеивающие свойства частицы характеризуются, так называемой, функцией спектрального отклика, представляющей собой традиционные ряды Ми, записанные для всех частот

из спектра исходного импульса. В [8] были получены также численные решения обсуждаемой задачи, дающие временное поведение интегральных коэффициентов рассеяния, а в [42, 43] динамику внутреннего и внешнего оптических полей при резонансном возбуждении.

Отметим, что ранее были также предприняты попытки аналитического решения задачи светорассеяния импульса излучения на сфере [44]. Однако здесь удалось получить решение лишь для ряда специальных случаев, в частности для оптически малых частиц, когда функция спектрального отклика имеет достаточно простой вид.

Среди других численных методов исследования обсуждаемой задачи следует отметить метод вычислительной электродинамики (FDTD -finite-difference time domain method), фактически представляющий собой прямое численное решение нестационарных уравнений Максвелла [45, 46]. Данный метод оказывается незаменимым при расчетах дифракции излучения на объектах сложной геометрической формы, а также при наличии неоднородностей их оптических свойств.

В работах [47, 48] при аналитическом исследовании нестационарной задачи нелинейного рассеяния света в микронных частицах был обоснован подход, развиваемый в оптике лазеров [40, 50]. В нем для изучения процессов предлагается искать решение нестационарного волнового уравнения в виде разложения по собственным функциям линейной задачи стационарного рассеяния (резонансным модам шара). При этом пространственная и временная зависимости оптических полей факторизуются так, что вся информация о временном поведении рассеянного поля переходит в коэффициенты ряда. Для них на основании уравнений Максвелла записывается система дифференциальных уравнений, по смыслу являющихся неоднородными уравнениями колебаний. При задании конкретного профиля исходного импульса данная система затем может быть аналитически или численно решена.

Нестационарная генерация на лазерных переходах активных молекул в сферических и цилиндрических микрокаплях рассматривалась в теоретических работах сотрудников Института физики им. Б.И. Степанова HAH Белоруссии [51, 52]. Получено выражение для амплитудных коэффициентов разложения при неоднородном профиле накачки в условиях резонансного возбуждения молекул, на основании которого проведены оценки устойчивости генерации вынужденного излучения в микрочастицах. В [53] проведен анализ преобразования оптического излучения диэлектрическими микросферами, содержащими нановключения в виде золей металлов. Показано влияние концентрации наночастиц на величину и характер напряженности внутреннего поля сферической микрочастицы, находящейся в условиях резонанса, а также на условия лазерной генерации внутри нее.

В целом, несмотря на значительные успехи, достигнутые в области исследования нестационарного упругого линейного рассеяния света на диэлектрической микрочастице, к моменту начала работы соискателя над диссертацией, недостаточно теоретически проработанными оставались вопросы формирования оптического поля внутри прозрачных микросфер пространственно-ограниченным гауссовским пучком с временным режимом в виде одиночного моноимпульса и цуга ультракоротких лазерных импульсов, а также проблема выбора наиболее эффективных режимов возбуждения резонансных электромагнитных мод частиц частотно-импульсным излучением при вариации его временных параметров и различной геометрии облучения.

В последнее десятилетие наблюдается бурный всплеск исследований, направленных на изучение возможности управления оптическими нанополями (полем на нанометровых масштабах), возникающими вблизи или на поверхности материальных сред. Эффект, так называемых, "фотонных струй" (в англоязычной литературе - "photonic nanojet") [23, 54], хотя и является прямым следствием теории Ми, приобрел особую важность именно

вследствие развития нанофотоники. По сути дела ФС представляет собой область внешнего фокуса дифрагировавшей на прозрачной сфере световой волны, локализованная вблизи ее задней (теневой) поверхности и простирающаяся вследствие аберрационной фокусировки на расстояние до десятка длин волн излучения в среде.

Наиболее полный обзор работ, посвященных теоретическим и экспериментальным исследованиям эффекта ФС, представлен в [35]. Следует также отметить ряд научных групп, наиболее успешно работающих в данном направлении, а именно, коллектив из Northwestern University (USA) в составе Taflove A., Heifetz А., Васктап V., коллектив из Institute Fresnel (Aix-Marseille Université, France) - Devilez A., Bonod N. Popov E., a также авторский коллектив, возглавляемый Астратовым В.Н. из Center for Optoelectronics and Optical Communications University of North Carolina at Charlotte (USA).

Способность объектов, имеющих микронные размеры, концентрировать энергию падающего электромагнитного излучения вблизи поверхности может представлять большой интерес для различных областей, связанных, например, с обработкой материалов [55] или обнаружением наноразмерных частиц [22]. Одним из ярких примеров практического использования "фотонной струи" является вариант помещения в ее зоне металлической наночастицы [56]. При этом ФС вызывает гигантское усиление обратного рассеяния наночастицы, что приводит к изменению характеристик обратного рассеяния уже самой диэлектрической микросферы. Это позволяет конструировать на данной основе сенсор высокого пространственного разрешения и регистрировать присутствие объектов с размерами в сотни раз меньше, чем размер самой диэлектрической микросферы. В литературе сообщается также о возможности использования ФС для оптической хирургии в качестве "оптического скальпеля" [32] или "оптического пинцета" [33], а также в устройствах хранения данных с ультравысокой плотностью записи [57].

В частности, при проведении численных исследований чувствительности сечения обратного рассеяния облученной лазерным пучком 2-х микронной сферической диэлектрической частицы к возмущениям, возникающим при помещении в область ее ФС золотой сферы радиусом 20 нм [56], было установлено, что в случае возбуждения собственного резонанса микрочастицы появляется возможность прецизионно детектировать поперечные смещения наносферы в фотонном потоке. Выигрыш в точности составил примерно полтора раза по сравнению с нерезонансно сформированной ФС. Данный эффект был получен для наносферы, находящейся достаточно близко к поверхности микрочастицы, на расстоянии порядка четверти длины волны излучения (80 нм).

Вместе с тем, в большинстве теоретических и экспериментальных работ исследовался, как правило, лишь какой-либо один параметр ФС (протяженность, ширина и т.д.). Однако высокая изменчивость формы ФС, проявляющаяся при варьировании размера микрочастиц, а также их оптических свойств, требует комплексной оценки всех ее основных параметров. Более того, к моменту проведения соискателем исследований не существовало критериев, позволяющих провести хотя бы примерную классификацию формирующихся "фотонных струй", что приводило к определенным трудностям в выборе конкретной экспериментальной конфигурации "частица + излучение" для получения ФС с заданными свойствами.

Исследования [56] размерных параметров ФС от однородных диэлектрических частиц различного размера формируемых в условиях резонанса внутреннего поля частицы, обнаружили интересный эффект сокращения [58] поперечного размера "резонансной ФС". Однако рассматривалась только область, непосредственно примыкающая к поверхности частицы. Очевидно, что установленные закономерности могут и не выполняться при удалении вдоль ФС. Другими словами, должна существовать определенная область, за пределами которой влияние

собственного резонанса частицы на параметры ФС уже можно считать несущественным. Задача определения этих границ применительно к различным ситуациям возбуждения резонансов в диэлектрических микросферах не была решена. Необходимо было также более детальное изучение модификации ФС при резонансном возбуждении оптического поля сферической диэлектрической микрочастицы.

Переход от однородной сферы к композитной частице, состоящей из ядра и одной или нескольких оболочек, значительным образом деформирует характеристики ФС. В работах [59, 60] изучались ФС от диэлектрических частиц радиусом 2 мкм и 5 мкм, состоящих из пяти и более (до сотни, включая ядро) концентрических слоев, облученных видимым светом. Было отмечено, что радиально-ступенчатое изменение показателя преломления от оптически более плотного ядра к менее плотной внешней оболочке при определенных условиях позволяет увеличить протяженность ФС до 20 мкм (~40Я,). Однако своеобразной платой за это удлинение явилось уширение фотонного потока в поперечном направлении и снижение его интенсивности. В то же время в цитируемых работах использовался только один тип послойного изменения показателя преломления, а именно, линейный. Открытым остался вопрос, каким образом повлияет на параметры ФС другой тип зависимости показателя преломления при переходе от слоя к слою? Это обстоятельство явилось мотивацией к проведению соискателем дополнительных исследований более широкого класса многослойных сферических микрочастиц, различающихся типом изменения оптических свойств соседних оболочек.

Как правило, классическим вариантом формирования "фотонной струи" является облучение диэлектрической микросферы непрерывным излучением. Вместе с тем в последнее время, как в оптических технологиях, так и в биомедицине возрос практический интерес к лазерным системам, генерирующим импульсы ультракороткого излучения. В качестве примера можно упомянуть работу [61], в которой экспериментально

продемонстрировано использование для перфорации клеточных мембран "фотонной струи", создаваемой микронными полистироловыми сферами при их облучении фемтосекундным импульсом основной гармоники ТоаррЫге-лазера. Было отмечено, что предложенная технология фемтосекундной оптической перфорации, в отличие от существующей методики с использованием золотых наночастиц, не приводит к смерти живой клетки.

Однако при достаточно малой длительности лазерного импульса может возникнуть ситуация, когда характерные времена установления оптических полей в частице и вне ее окажутся сравнимыми с длительностью самого импульса падающего излучения. При этом возникает необходимость учета нестационарных фаз развития процесса рассеяния, что и привносит особенности в формирование ФС.

Вопрос о развитии нестационарной "фотонной струи" в теневой области рассеяния фемтосекундного лазерного импульса на диэлектрической сферической микрочастице в научной литературе теоретически вообще не рассматривался. В связи с этим, для автора представляло несомненный интерес рассмотрение динамики формирования нестационарной ФС, возникающей при рассеянии ультракороткого лазерного излучения на прозрачной сферической микрочастице, а также исследование эволюции ее пространственной формы и основных характеристик.

Таким образом, при достаточно высоком темпе научных публикаций, касающихся вопросов нелинейного рассеяния света в микрочастицах в условиях резонансного и нерезонансного возбуждения оптического поля, к моменту начала исследований автора теоретические наработки в данной области не позволяли построить цельную картину, так как рассматривались лишь некоторые аспекты нестационарного и неупругого рассеяния светового излучения на изолированных слабопоглощающих сферических частицах. За рамками теоретических исследований остались важные для практики вопросы, связанные с особенностями проявления эффектов вынужденного рассеяния света в микросферах, рассеянием на частице ультракоротких

лазерных импульсов и цуга импульсов, а также возможность управления оптическими нанополями, возникающими вблизи теневой поверхности сферических частиц.

На основании вышеизложенного были сформулированы цель и задачи диссертации.

Цель и задачи исследования

Целью работы являлось теоретическое исследование эффектов нестационарного и неупругого рассеяния светового излучения на изолированных слабопоглощающих сферических частицах микронных размеров.

В рамках диссертации работа проводилась по следующим направлениям:

1. Исследование вопросов, связанных с возможностью экстремальной фокусировки оптического поля изолированными частицами, а именно, изучение пространственных и мощностных характеристик оптического поля, формирующегося вблизи поверхности сферической частицы при ее облучении световой волной.

2. Изучение особенностей формирования нестационарных оптических полей упругого рассеяния ультракоротких лазерных импульсов и цуга импульсов на сферической диэлектрической микрочастице.

3. Изучение специфики реализации ряда нелинейно-оптических эффектов вынужденного рассеяния света в сферических микрочастицах (ВКР, ВРМБ, вынужденная флуоресценция) в условиях возбуждения морфологических резонансов внутреннего оптического поля.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Управление амплитудными и пространственными характеристиками области ближнего поля рассеяния световой волны на диэлектрической сферической микрочастице (области "фотонной струи" - ФС) осуществляется варьированием ее радиуса и оптических свойств. Увеличение безразмерного параметра дифракции частиц в диапазоне ха=5^-100 приводит к увеличению всех основных параметров ФС:

протяженности (до 20А,), ширины (до 1.3А,) и пиковой интенсивности (до двух порядков величины).

2. Формирование ФС в условиях морфологического резонанса внутреннего оптического поля приводит к экстремальной концентрации энергии излучения в ближнем поле рассеяния и сопровождается заметным сужением ФС до дифракционного предела. Данный эффект наиболее выражен вблизи поверхности микрочастицы на расстояниях порядка длины волны лазерного излучения. Ширина и интенсивность резонансной ФС, измеренные за пределами этой области, не имеют существенных отличий от ее обычных (нерезонансных) значений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Панина, Екатерина Константиновна, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Зуев В.Е., Земляное А.А., Копытин Ю.Д. Нелинейная оптика атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1989. 256 С.

2. Зуев В.Е., Копытин Ю.Д., Кузиковский А.В. Нелинейные оптические эффекты в аэрозолях. Новосибирск: Наука. 1980. 180 С.

3. Борен К, Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 660 с.

4. Gouesbet G., Lock J. A., Gréhan G. Partial-wave representations of laser beams for use in light-scattering calculations // Appl. Opt. 1995. V. 34. № 12. P 2133-2143.

5. Lock J. A., Gouesbet G. Rigorous justification of the localized approximation to the beam-shape coefficients in generalized Lorenz-Mie theory. I. On-axis beams // JOS A A. 1994.V. 11. № 9. P. 2503-2515.

6. Gouesbet G., Letellier C., Ren K.F. Discussion of two quadrature methods of evaluating beam-shape coefficients in generalized Lorenz-Mie theory // Appl. Opt. 1996. V. 35. № 9. P. 1537-1542.

7. Gouesbet G., Gréhan G., Maheu В. Localized interpretation to compute all the coefficients g™ in the generalized Lorenz-Mie theory // JOS A A. 1990. V. 7, P. 998-1007.

8. Shifrin K.S., Zolotov I.G. Nonstationary scattering of electromagnetic pulses by spherical particles // Applied Optics. 1995. V. 34. № 3. P. 552-558.

9. Копвиллем У.Х., Букин O.A., Чудновский В.M. и др. Вынужденное рассеяние назад на водном аэрозоле в атмосфере // Оптика и спектроскопия. 1985. Т. 59. Вып. 2. С. 306-309

10.Pinnick R.G., Biswas A., Pendleton J., ArmstrongR.L. Aerosol-induced laser breakdown thresholds: effect of resonant particles. // Appl. Opt. 1992. V. 31. N. 3. P. 311-317.

11 .Chylek P., Biswas A., Jarzembski M.A., Srivastava V. Time delay of stimulated Raman scattering of micron-size droplets. // Appl. Phys. Lett. 1988. V. 52. N. 19. P. 1642-1644.

12.Lin H.-B., Huston A.L., Eversole J.D., Campillo A.J. Double - resonance stimulated Raman scattering in micrometer - sized droplets // J. Opt. Soc. Am. B. 1990. V. 7. N. 10. P. 2079-2089.

13 .Vehring R., Schweiger G. Threshold of stimulated Raman scattering in microdroplets // J. Aerosol. Sci., 1995. Suppl. 1. V. 26. N. 10. P. S235-S236.

14.Pinnick R.G., Biswas A., Latifi H., Armstrong R.L. Stimulated Raman scattering in micrometer-sized droplets: measurements of angular scattering characteristics. // Opt. Lett. 1988. V. 13. N. 12. P. 1099-1101.

15.Serpenquzer A.S., Swindal J.C., ChangR.K., Acker W.P. Two - dimensional imaging of sprays with fluorescence, lasing and stimulated Raman scattering. // Appl. Opt., 1992. V. 31. N 18. P. 3543-3551.

\6.Kasparian J., Wolf J-P. A new transient SRS analysis method of aerosols and application to a nonlinear femtosecond lidar // Opt. Comm. 1998. V. 152. P. 355-360.

П.Кандидов В.П., Косарева О.Г., Можаев Е.И., Тамаров М.П. Фемтосекундная нелинейная оптика атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 2000. Т. 13. № 5. С. 429-436.

18.Rairoux P., Schillinger Н., Niedermeier S., Rodriguez М., Ronneberger F., Sauerbrey R., Stein В., Waite D., Wedekind C., Wille H., Woste L. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses // Appl. Phys. B. 2000. V. 71. P. 573-580.

\9.Schweiger G. Raman scattering on single aerosol particles and on flowing aerosols: a review // J. Aerosol Sci. 1990. V. 21. № 4. P. 483-509.

lO.Kwok A.S., Chang R.K. Detection of minory species in microdroplets: enhancement of stimulated Raman scattering // Optics & Photonics News. 1993. № 12. P. 34.

21. Yamamoto Y, Slusher R. Optical processes in microcavities // Physics Today, 1993. № 6. P. 66-73.

22.Li X., Chen Z., Taflove A., Backman V. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets // Optics Express. 2005. V. 13. No. 22. P. 526-533.

23.Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express. 2004. V. 12. N. 7. P. 1214-1220.

24 .Волощенко Ю.И., Джамалов А.Ш., Коваль А.И., Реутов А.Т. Автоволны в многозвенной оптической линии передачи на основе связанных двухсекционных лазеров // Известия вузов. Радиоэлектроника. 1991. Т. 34. № 7. С. 6-12.

25.Ashkin A., Dziedzic J.M. Observation of optical resonances of dielectric spheres by light scattering // Appl. Opt. 1981. V. 20. N. 10. P. 1803-1814.

26.Chylek P., Kiehl J.Т., Ко M.K.W. Narrow resonance structure in the Mie scattering characteristics // Appl. Opt. 1978. V. 17. N. 19. P. 3019-3021.

ll.Kerker M., McNulty P.J., Sculley M., Chew H., Cooke D.D. Raman and fluorescent scattering by molecules embedded in small particles: Numerical results for incoherent optical process // J. Opt. Soc. Am. 1978. V. 68. N 12. P. 1676-1685.

28 .Белокопытов Г.В., Пушечкин Н.П. Резонансное стрикционное параметрическое возбуждение акустических колебаний в каплях // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17. Вып. 22. С. 71-75.

29.Little В., Haus Н., Ippen Е., Steinmeyer G., Thoen Е. Microresonators for integrated optical devices // Optics & Photonics News. 1998. V. 9. № 12. P. 32-33.

30.Guo-Xing Z., Rui-Ying Z., Song L., Ping-An H., Hui Z. Focusing a beam beyond the diffraction limit using a hyperlens-based device // Chiness Phys. B. 2011. 20 117802. DOI: 10.88/1674-1056/20/11/117802.

31 .Li X., Chen Z., Taflove A., Backman V. Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets // Opt. Express. 2005. V. 13. P. 526-533.

32. As tr a tov V.N., Darafsheh A., Kerr M. D., Allen K. W., Fried N. M., Antoszyk A. N.. Ying H. S. Photonic nanojets for laser surgery // SPIE Newsroom, 10.1117/2.1201002.002578 (2010).

33.Сш' X, Erni D, Hafner C. Optical forces on metallic nanoparticles induced by a photonic nanojet // Optics Express. 2008. V. 16. No 18. P. 13560-13568.

34.Kawazoe Т., Yatsui Т., Ohtsu M. Nanophotonics using optical near fields // J. of Non-Crystalline Solids. 2006. V. 352. Issues 23-25. P. 2492-2495.

35.Heifetz A., Kong S.-C.,Sahakiana A.V., Taflove A., Backman V. Photonic Nanojets // J. Comput. Theor. Nanosci. 2009. V. 6(9). P. 1979-1992.

36.Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Ilchenko V.S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes // Physics Letters A. 1989. V. 137. P. 393-397.

37.Gorodetsky M.L., Ilchenko V.S., SavchenkovA.A. Ultimate Q of optical microsphere resonators // Optics Letters. 1996. V. 21. P. 453-455.

38.Zhang J.-Z., Chang R.K. Generation and suppression of stimulated Brillouin scattering in single liquid droplets // J. Opt. Soc. Am. B. 1989. V. 6. N. 2. P. 151-153.

39.Zhang J.-Z., Chen G., Chang R.K. Pumping of stimulated Raman scattering by stimulated Brillouin scattering within a single liquid droplet: input laser linewidth effects // J. Opt. Soc. Am. В., 1990. V. 7, N 1, P. 108-115.

40.Khaled E. E. M, Hill S.C., Barber P.W. Internal electric energy in a spherical particle illuminated with a plane wave or off-axis Gaussian beam // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 524-532.

41 .Гейнц Ю.Э., Земляное A.A. Угловые характеристики поля ВКР от прозрачных частиц // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. №. 7. С. 910-914.

42.Земляное А.А., Гейнц Ю.Э. Резонансное возбуждение светового поля в слабопоглощающих сферических частицах фемтосекундным лазерным импульсом. Особенности нелинейно-оптических взаимодействий // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 5. С. 349-359.

43.Chowdhury D.Q., Hill S.C., Barber P.W. Time dependence of internal intensity of a dielectric sphere on and near resonance // J. Opt. Soc. Amer. 1992. V. 9. N8. P. 1364-1373.

44 .Калиненко A.H., Творогов С. Д. Рассеяние импульса света на сферических частицах с большим показателем преломления // Журнал прикладной спектроскопии. 1974. Т. 20, В. 1, С. 140-145.

45.Yee K.S. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotopic media // IEEE Trans. Ant. Prop. 1966. V. Ap-14. N 3. P. 302-307.

46. Yang P., Liou K.N., Mishchenko M.I., Bo-Cai Gao. Efficient finite-difference time-domain scheme for light scattering by dielectric particles: application to aerosols // Appl. Opt. 2000. V. 39. N 21. P. 3727-3737.

41.Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Зуев B.E., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999, 260 С.

48.Земляное А.А., Гейнц Ю.Э. Нелинейные эффекты вынужденного рассеяния света в сферических частицах // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 10. С. 935-944.

49.Вайнштейн JI.A. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио, 1966. 476 С.

50.Ханин Я.И. Динамика квантовых генераторов. Т. 2. Квантовая радиофизика. М.: Сов. радио, 1975. 496 С.

51 .Леднева Г. П. Нестационарная генерация в сферической микрочастице // Оптика и спектроскопия. 1994. Т. 76. N 3. С. 489-510.

52.Kotomtseva L.A., Ledneva G.P., Astajieva L.G. Microparticles as laser sources and bistable elements // Laser Physics. 1997. V. 7. N. 6. P. 1-4.

5Ъ.Астафьева Л.Г., Леднева Г. П. Преобразование оптического излучения микросферой с нановключениями золей металлов // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 106. N 2. С. 306-313.

54.Ferrand P., Wenger J., Devilez A., Pianta М., Stout В., Bonod N.. Popov E., Rigneault H. Direct imaging of photonic nanojets // Optics Express. 2008. V. 16. N. 10. P. 6930-6940.

55.Munzer H. J., Mosbacher M., Bertsch M., Zimmermann J., Leiderer P., Boneberg J. Local field enhancement effects for nanostructuring of surfaces //J. Microsc. 2001. V. 202, P. 129-135.

5e.Heifetz A., Simpson J. J., Kong S.-C., Taflove A., Backman V. Subdiffraction optical resolution of a gold nanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectric microsphere// Optics Express. 2007. V. 15. N. 25. P. 17334-17342.

51.Kong S.-C., Sahakian A. V., Heifetz A., Taflove A., Backman V. Robust detection of deeply subwavelength pits in simulated optical data-storage disks using photonic jets // Appl. Phys. Lett. 2008. 92. 211102.

58.Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина E.K. Управление параметрами фотонных наноструй композитных микросфер // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 109. № 4. С. 643-648.

59.Kong S.-C., Taflove A., Backman V. Quasi one-dimensional light beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express. 2009. V.17. No. 5. P. 3722-3731.

60.Ruiz С. M., J. J. Simpson Detection of embedded ultra subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // Opt. Express. 2010. V. 18. No. 16. P. 16805-16812.

61.Terakawa M., Tanaka Y. Dielectric microsphere mediated transfection using a femtosecond laser // Opt. Lett. 2011. V. 36. N 15. P. 2877-2879.

Ы.Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: ИЛ, 1961. 536 С.

63.Шифрин КС. Рассеяние света в мутной среде. М.; JL: ГИТТЛ. 1951. 288 С.

64 .Пришивалко А.П. Оптические и тепловые поля внутри светорассеивающих частиц. Минск: Наука и техника. 1983. 190 С.

65. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир. 1971. 165 С.

66.Кегкег М. The scattering of light and other electromagnetic radiation. Academic Press. New York. 1969. 755 P.

61.Bussey H.E., Richmond J.H. Scattering by a lossy dielectric circular cylindrical multilayer, numerical values // IEEE Trans. Antennas Propagat. 1975. AP-23, P. 723-725.

68.Benincasa D.S., Barber P. W., Zhang J-Z., Hsieh W. F., Chang R. K. Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatters // Appl. Opt. 1987. V.26. №7. P. 1348-1356.

69.Wang D-S., Barber P. Scattering by inhomogeneous nonspherical objects // Appl. Opt. 1979. V.18. №13. P. 1960-1967.

10.Hill S.C., Hill A.C., Barber P. W. Light scattering by size/shape distributions of soil particles and spheroids // Appl. Opt. 1984. V.23. P. 1025-1031.

71 .Бори M., Вольф Э. Основы оптики. M.: Наука. 1970. 855 С.

11.Chylek P., Kiehl J.Т., Ко M.K.W. Narrow resonance structure in the Mie scattering characteristics // Appl. Opt. 1978. V. 17. N 19. P. 3019-3021.

73.Lin H.-B., Houston A.L., Justus B.L., Campillo A.J. Some characteristics of a droplet whispering-gallery-modes laser // Opt. Lett. 1986. V. 11. N 10. P. 614-616.

lA.Fuchs R., Kliewer K.L. Optical modes of vibration in an ionic crystal sphere // J. Opt. Soc. Amer. 1968. V. 58. N 3. P. 319-330.

15.Irvine W.M. Light scattering by spherical particles: radiation pressure, asymmetry factor and extinction cross section. // J. Opt. Soc. Amer. 1965. V. 55. N1. P. 16-21.

16.Benner R.E., Barber P. W., Owen J.F., Chang R.K. Observation of structural resonances in the fluorescence spectra from microspheres // Phys. Rev. Lett. 1980. V. 44. N7. P. 475-478.

11.Hill S.C., Benner R.E., Rushforth C.K., Conwell P.R. Structural resonances observed in the fluorescent emission from small spheres on substrates // Appl. Opt. 1984. V. 23. N 11. P. 1680-1683.

IS.Pinnick R.G., Biswas A., Chylek P., Armstrong R.L., Latifi H., Creegan E., Srivastava V., Jarzembski M. Stimulated Raman scattering in micrometer-sized droplets: time-resolved measurements // Opt. Let. 1988. V. 13. N 6. P. 494-496.

79.Schweiger G. Observation of Input and Output Structural Resonances in the Raman Spectrum of a Single Spheroidal Dielectric Microparticle // Opt. Lett. 1990. V. 15. № 3. p. 165-168.

80.Eversole J.D., Lin H.-B., Huston A.L., Campillo A.J., Leung P.T., Liu S.Y., Young К High-precision identification of morphology-dependent resonances in optical processes in microdroplets // J. Opt. Soc. Amer. B. 1993. V. 10. N 10. P. 1955-1968.

81. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами / Под ред. Абрамовица М, Стиган И.М. М.: Наука. 1979. 832 С.

82.Barber P. W., Hill S.C. Light scattering by particles: computational methods Hong Kong. World Scientific. 1990. 342 P.

83.Kaiser Т., Lange S., Schweiger G. Structural resonances in a coated sphere: investigation of the volume-averaged source function and resonance position // Appl. Opt. 1994. V. 33. N 33. P. 7789-7797.

84.Hightower R.L., Richardson C.B. Resonant Mie scattering from a layered sphere // Appl. Opt. 1988. V. 27. N 23. P. 4850-4855.

85.Lam C.C., Leung P.Т., Young R. Explicit asymptotic formulas for the position, widths and strengths of resonances in the Mie scattering // J. Opt. Soc. Amer. B. 1992. V. 9. N 9. P. 1585-1592.

%6.Robert-Jones J.R. Resonance component of backscattering by large dielectric spheres // J. Opt. Soc. Amer. A. 1984. V. 1. N 8. P. 822-830.

87.Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина E.K. Нанофотоника изолированных сферических частиц // Изв. ВУЗОВ Физика. 2010. Т. 50. № 4. С. 76-85.

88.Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Пространственные и мощностные характеристики нанополей вблизи изолированных сферических частиц // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 8. С. 666-674.

89.Geints Yu.E., Panina Е.К., Zemlyanov A.A. Control over parameters of photon nanojets of dielectric microspheres // Optics Communications. 2010. 283. P. 4775-4781.

90.Lecler S., Takakura Y., Meyrueis P. Properties of a three-dimensional photonic jet// Opt. Lett. 2005. V. 30. Issue 19. P. 2641-2643.

91.Itagi A. V., Challener W. A. Optics of photonic nanojets // J. Opt. Soc. Am. A. 2005. V. 22. No. 12. P. 2847-2858.

92.Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Panina E.K. Photonic Jets from Resonantly-Excited Transparent Dielectric Microspheres // JOSA B. 2012. V. 29. Issue 4. P. 758-762.

93.Smith J.E., Medley C.D., Tang Z, Shangguan D., Lofton D., Tan W. Aptamer-conjugated nanoparticles for the collection and detection of multiple cancer cells // Anal. Chem. 2007. V. 79. N. 8. P. 3075-82.

94.Denk W., Pohl D. W. Near-field optics: Microscopy with nanometer-size fields //

J. of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer

Structures. 1991. V. 9. N. 2. P. 510-513.

95.Lyshevski S.E. Nano- and micro-electromechanical systems: fundamentals of

nano- and microengineering. CRC Press. 2005. P. 722.

96.Katawa S. Near-Field Optics and Surface Plasmon Polaritons Berlin; New

York: Springer. 2001. P. 210.

97.Симовский К.Р., Третьяков С. A., Viitanen A.J. Субволновое изображение в сверхлинзе плазмонных наносфер // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 6. С. 76-82.

98.Сидоров А.И. Инверсия поглощения и рассеяния при плазмонном резонансе в наночастицах с металлической оболочкой // Журнал теоретической физики. 2006. Т. 76, Вып. 10. С. 136-139.

99.Ehrenreich Н., Philipp H.R., Segall В. Optical properties of aluminum // Phys. Rev. 1963. V. 132. N. 5. C. 1918-1928.

100. Grangvist C.G., Hunderi O. Optical properties of ultrafine gold particles // Phys. Rev. B. 1977. V. 16. N. 8. P. 3513-3534.

101. Kreibig U., Fragstein C.V. The limitation of electron mean free path in small silver particles // Z. Physik. 1969. V. 224. P. 307-323.

102. Хлебцов Н.Г., Богатырев B.A., Дыкман JI.A., Мельников А.Г. Спектральные свойства коллоидного золота // Оптика и спектроскопия. 1996. Т. 80. № 1. С. 128-137.

103. Pinchuk A., von Plessen G., Kreibig U. Influence of interband electronic transitions on the optical absorption in metallic nanoparticles // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. V. 37. P. 3133-3139.

104. Lynch D.W., Hunter W.R. in Handbook of Optical Constants of Solids, edited by E.D. Palik. Academic: New York, 1985. P. 286.

105. Averitt R.D., Westcott S.L., Halas N.J. Linear optical properties of gold nanoshells // JOSA B. 1999. V. 16. N. 10. P. 1824-18332.

106. Lin A.W.H., Lewinsky N.A., Lee M.H., Drezek M.H. Reflectance spectroscopy of gold nanoshells: computational predications and experimental measurements // Journal ofNanoparticle Research. 2006. N. 8. P. 681-692.

107. Stout В., Andraud C., Stout S., Lafait J. Absorption in multiple scattering systems of coated spheres // JOSA A. 2003. V. 20. N. 6. P. 1050-1059.

108. Xu H. Multilayered metal core-shell nanostructures for inducing a large and tunable local optical field // Phys. Rev. B. 2005. V 75. 073405.

109. Taflove A., Hagness S. Computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method. Boston: Arthech House Pub. 2000. 852 p.

110. Prodan E., Radloff C., Halas N. J., Nordlander P. A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures // Science 302. 2003. P. 419-422.

111. Poco J. F., Hrubesh L. W. Method of producing optical quality glass having a selected refractive index // U.S. Patent 6158244. 2008.

112. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Панина E.K. Эффект "фотонной наноструи" в оптически неоднородных микронных сферических частицах // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. № 6. С. 520-525.

113. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Панина Е.К. Особенности формирования фотонной наноструи от многослойных сферических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2011, Т. 24. № 7. С. 617-622.

114. Devilez A., Bonod N., Stout В., Gerard D., Wenger J., Rigneault H., Popov E. Three-dimensional subwavelength confinement of light with dielectric microspheres // Opt. Express. 2009. V. 17. № 4. P. 2089-2094.

115. Heifetz A., Huang K., Sahakian A. V., Li X., Taflove A., and Backman V. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet// Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89, 221118.

116. Wu W, Katsnelson A, Memis OG, Mohseni H. A deep sub-wavelength process for the formation of highly uniform arrays of nanoholes and nanopillars // Nano technology 2007. V. 18. No. 48. 485302.

117. Гейнц Ю.Э., Панина E.K, Земляное A.A. Сравнительный анализ пространственных форм фотонных струй от сферических диэлектрических микрочастиц // Оптика атмосферы и океана. 2012, Т. 25. № 5. С. 417-424.

118. Mendes M.J., Tobias I., Marti A., Luque A. Light concentration in the near-field of dielectric spheroidal particles with mesoscopic sizes // Optics Express. 2011. V. 19. N. 17. P. 16207-16222.

119. Geints Yu.E., Panina E.K., Zemlyanov A.A. Photonic jet shaping of mesoscale dielectric spherical particles: Resonant and non-resonant jet formation // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012. http://dx.doi.Org/10.1016/i.iqsrt.2012.07.023.

120. Geints Yu.E., Panina E.K., Zemlyanov A.A. A photonic nanojet calculations in layered radially-inhomogeneous micrometer-sized spherical particles // JOSA B. 2011. V. 28, Issue 8. P. 1825-1830.

121. Debye P. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material // Ann. Phys. (Leipzig). 1909. Bd. 30. H. 11. S. 57-136.

122. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen //Ann. Phys. (Leipzig). 1908. Bd. 25. H. 25. S. 377-445.

123. Little B.E. at al. Microring resonator channel dropping filters // J. Lightwave Technol. 1997. V. 15. P. 998-1005.

124. Symes R., Sayer R.M., Reid J.P. Cavity enhanced droplet spectroscopy: principles, perspectives and prospects // Phys. Chem. Chem. Phys. 2004. V. 6. P. 474-487.

125. Jian Fu, Sailing Fhe, Sanshui Xiao Analysis of channel-dropping tunneling processes in photonic crystals with multiple vertical multi-mode cavities // J. Phys. A: Math. Gen. 2000. V. 33. P. 7761-7771.

126. Земляное A.A., Гейнц Ю.Э., Апексимов Д.В. Частотно-импульсный режим возбуждения сферического микрорезонатора чирпированным ультракоротким лазерным излучением // Оптика атмосферы и океана. 2007. Т. 20, № 12. С. 1092-109.

127. Dubreuil N., Knight J.С., Leventhal D.K. at al. Eroded monomode optical fiber for whispering-gallery mode excitation in fused-silica microspheres // Opt. Letters. 1995. V. 20. № 8. P. 813-815.

128. Kieu K, Mansuripur M. Active Q switching of a fiber laser with a microsphere resonator// Opt. Letters. 2006. V. 31. № 24. P. 3568-3570.

129. Barton J.P. Electromagnetic-field calculations for a sphere illuminated by a higher-order Gaussian beam. I. Internal and near-field effects // Appl. Opt. 1997. V. 36. P. 1303-1311.

130. Maheu В., Grehan G., Gouesbet G. Laser beam scattering by individual sphere particles: numerical results and application to optical sizing // Part. Charact. 1987. V. 4. P. 141-146.

131. Gouesbet G., Maheu В., Grehan G. Light scattering from a sphere arbitrarily located in a Gaussian beam, using a Bromwich formulation // JOSA A. 1988. V. 5. №9. P. 1427-1443.

132. Ren K.F., Gouesbet G., Grehan G. Integral localized approximation in generalized Lorenz-Mie theory// Appl. Opt. 1998. V. 37. № 19. p. 4218-4225.

133. Baer T. Continuous-wave laser oscillation in a Nd:YAG sphere // Opt. Lett.

1987. V. 12. P. 392-394.

134. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина E.K. Особенности формирования оптического поля прозрачной сферической частицы при облучении ее ультракоротким амплитудно-модулированным пространственно-ограниченным лазерным пучком // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 11. С. 931-939.

135. Zhang J.-Z., Leach D.H., Chang R.K. Photon lifetime within a droplet: temporal determination of elastic and stimulated Raman scattering // Opt. Lett.

1988. V. 13. P. 270-272.

136. Шен И.P. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989. 560 С.

137. Кои L., D. Labrie P., Chylek P. Refractive indices of water and ice in the 0.65 to 2.5 цт spectral range // Appl. Opt. 1993. V. 32. P. 3531-3540.

138. Vollmer F., Braun D., Libchaber A., Khoshsima M., Teraoka I., Arnold S. Protein detection by optical shift of a resonant microcavity // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 80. N 21. P. 4057-4059.

139. Etourneau K. and Marcou J. Characterization of the core-cladding interface of a polymer optical fiber by excitation of whispering gallery modes // Pure Appl. Opt. 1997. V. 6. P. 707-715.

140. Pokropivny V. Nanostructured superconductors: from granular through wire towards high-Tc nanotubular 2D composites // Int. J. of Nanotechnology. 2004. V. l.N. 1/2, P. 170-192.

141. Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Panina E.K. Whispering-gallery mode excitation in a microdroplet illuminated by a train of chirped ultrashort laser pulses // Applied Optics. 2009. V. 48. N. 30. P. 5842-5848.

142. Shifrin K.S., Zolotov I.G. Quasi-stationary scattering of electromagnetic pulses by spherical particles // Appl. Opt. 1994. V. 33. N 9. P. 7798-7804.

143. Апексимов Д.В., Багаев C.H., Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Кабанов A.M., Кирпичников A.B., Кистенев Ю.В., Креков Г.М., Крекова М.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К, Панина Е.К., Петров В.В., Пестряков Е.В., Пономарев Ю.Н., Суханов А.Я., Тихомиров Б.А., Трунов В.И., Уогинтас С.Р., Фролов С.А., Худорожков Д.Г. Фемтосекундная атмосферная оптика. Под ред. С.Н. Багаева, Г.Г. Матвиенко. Изд-во СО РАН. 2010. 238 С.

144. Земляное А.А., Гейнц Ю.Э. Нестационарное упругое линейное рассеяние света на сферических микрочастицах // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. № 8. С. 684.

145. Земляное А.А., Гейнц Ю.Э. Интенсивность оптического поля внутри слабопоглощающей сферической частицы, освещенной фемтосекундным лазерным импульсом // Оптика и спектроскопия. 2004. Т. 96. № 2. С. 337-344.

146. Couairon A., Myzyrowicz A. Femtosecond fomentation in transparent media // Phys. Reports. 2007. V. 441. № 2-4. P. 47-189.

147. Couairon A., Sudrie L., Franco M., Prade В., Mysyrowicz A. Filamentation and damage in fused silica induced by tightly focused femtosecond laser pulses //Phys. Rev. B. 2005. V. 71. 125435.

148. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Панина E.K. Временная динамика "фотонной струи" от диэлектрической микрочастицы при облучении лазерным импульсом // Оптика атмосферы и океана. 2012. т. 25. № 12. С. 1028-1033.

149. Geints Yu.E., Zemlyanov A.A., Panina E.K. Nonstationary photonic jet from spherical dielectric microsphere //J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2012 http://dx.doi.Org/10.1016/j.jqsrt.2012.ll.025.

150. Qian S.-X., Snow J.B., Tzeng H.-M., Chang R.K. basing droplets: Highlighting the liquid-air interface by laser emission. // Science. 1986. V.231. № 4737. P. 486-488.

151. Barber P. W., Owen J. F., and Chang R. K. Morphology-dependent resonances in Raman scattering, fluorescence emission, and elastic scattering from microparticles // Aerosol Sci. Technol. 1982. V.l. P. 293-302.

152. Serpenguzel A., Chen G., Chang R.K. Heuristic model for the growth and coupling of nonlinear processes in droplets // J.Opt.Soc.Am. B. 1992. V.9. P. 871-883.

153. Cantrel C.D. Theory of nonlinear optics in dielectric spheres // J.Opt.Soc.Am. B. 1991. V.8. N.10. P.2158-2180.

154. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Чистякова (Панина) E.K. Вынужденное комбинационное рассеяние света изолированными прозрачными каплями // Оптика атмосферы и океана. 1994, Т. 7. №. 7. С. 913-928.

155. Земляное А.А., Гейнц Ю.Э. Вынужденное рассеяние света сферическими частицами // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. N4-5. С. 500-515.

156. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К Микрочастица в интенсивном световом поле. Издательский Дом: Palmarium Academic Publishing. 2012. 252 С.

157. Путхов Г., Пантел Р. Основы квантовой электроники. М.: Мир, 1972. 384 С.

158. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989. 560 С.

159. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А. Поверхностный эффект пондеромоторного действия лазерного излучения на жидкие частицы // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. N.10. С. 1345-1352.

160. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Гостехиздат, 1957. 266 С.

161. Ханин Я.И. Динамика квантовых генераторов. (Квантовая радиофизика. Т. 2). М.: Сов. радио. 1975. 496 С.

162. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Чистякова (Панина) Е.К. Энергетический порог генерации ВКР в прозрачных каплях // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т. 8. N.10. С. 1480-1487.

163. Serpenquzer A.S., Chen G., Chang R.К. Heuristic model for the growth and coupling of nonlinear processes in droplets // J. Opt. Soc. Am. B. 1992. V. 9. N6. P. 871-883.

164. Biswas A., Latifi H., Armstrong R.L., Pinnick R.G. Double-resonance stimulated Raman scattering from optically levitated glycerol droplets // Phys. Rev. A. 1989. V. 40. N. 12. P. 7413-7416.

165. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Чистякова (Панина) Е.К. Эффект понижения порога ВКР в слабопоглощающих частицах аэрозоля: численные расчеты // Оптика атмосферы и океана. 1997, Т. 10. №. 3. С. 289-293.

166. Chowdhury D.Q., Hill S.C., Mazumder М.М. Quality factors and effective -average modal gain in inhomogeneous spherical resonators: application topfoton absorption // IEEE Journ. Of Quant. Electr. 1993. V. 29. N. 3. P. 2553-2561.

167. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Чистякова (Панина) Е.К. Влияние резонансных свойств прозрачных частиц на порог вынужденного рассеяния Манделыптама-Бриллюэна // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. №. 1.С. 34-42.

168. Платоненко В.Т., Хохлов Р.В. О взаимодействии волн при вынужденном комбинационном рассеянии // ЖЭТФ. 1964. Т. 46. № 2. С. 555-559.

169. Сущинский М.М. Вынужденное рассеяние света. М.: Наука. 1985. 175 С.

170. Сущинский М.М. Комбинационное рассеяние света и строение вещества. М.: Наука. 1981. 182 С.

171. Старуное B.C., Фабелинский И.Л. Вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние света. Успехи физических наук. 1969. Т. 98. Вып. 3. С. 441-491.

172. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир. 1971. 165 С.

173. Кузьмин В.В. Нарушение фазового синхронизма при вынужденном рассеянии света // Труды ФИАН. 1991. Т. 207. С. 3-39.

174. Hill S.C., Benner R.E., Rushforth С.К., and Conwell P.R. Structural resonances observed in the fluorescent emission from small spheres on substrates // Appl. Opt. 1984. V.23. N.l 1. P. 1680-1683.

175. Benner R. E., Barber P. W., Owen J. F., and Chang R. K. Observation of Structural Resonances in the Fluorescence Spectra from Microspheres// Phys. Rev. Lett. 1980. V. 44. P.475-478.

176. Межерис P. Лазерное дистанционное зондирование. M.: Мир, 1987. 552 С.

177. Qian S.-X., Chang R.K. Multiorder Stokes emission from micrometer-size droplets. // Phys. Rev. Let. 1986. V.56. N. 9. P. 926-929.

178. Стрэттон Дж. А. Теория электромагнетизма. M. -Л.: ОГИЗ, 1948. 540 С.

179. Chew Н, McNulty P.J., Kerker М. Model for Raman and fluorescent scattering by molecules embedded in small particles. // Phys. Rev. A 1976. V.13. № 1. P. 396-404.

180. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А. Угловые характеристики поля ВКР от прозрачных частиц // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 7. С. 910-914.

181. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Чистякова (Панина) Е.К Многомодовое возбуждение вынужденного комбинационного рассеяния в сферических

частицах. Угловые характеристики рассеянного излучения // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 7. С. 599-60.

182. Mejean G., Kasparian J., Yu J, Frey S., Salmon E., Wolf J.P. Remote detection and identification of biological aerosols using a femtosecond terawatt lidar system // Appl. Phys. B. 2004. V. 78. N 5. P. 535-537.

183. Бочкарее H.H., Донченко В.А., Земляное A.A. Земляное Ал. А.; Кабанов А. М., Карташев Д. В. Флюоресценция красителя в жидкокапельной форме при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами // Изв. вузов. Физика. 2005. № 4. С. 15-19.

184. Hill S.C., Pan Y., Holler S., Chang R.K. Enhanced backward-directed multiphoton-excited fluorescence from dielectric microcavities // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. N 1. P. 54-57.

185. Земляное A.A., Гейнц Ю.Э. Внутренняя и внешняя фокусировка оптического фемтосекундного импульса при дифракции на сферической частице // Опт. атмосф. и океана. 2003. Т. 16. № 10. С. 898-902.

186. Гейнц Ю.Э., Земляное A.A., Панина Е.К. Угловое распределение интенсивности многофотонно возбужденной флуоресценции от сферической частицы: геометрооптический подход // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. № 10. С. 835-840.

187. Кандидов В.П., Милиции В.О. Интенсивность светового поля и концентрация электронов лазерной плазмы в капле водного аэрозоля при воздействии фемтосекундного импульса. Геометрооптический анализ // Опт. атмосф. и океана. 2004. Т. 15. № 1. С. 54-62.

188. Земляное A.A., Гейнц Ю.Э., Пальчиков A.B. Вынужденное рассеяние света в прозрачных частицах. Влияние пондеромоторных деформаций поверхности // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. № 5. С. 414-421.

189. Boutou V., Favre С., WolfJ.-P., Hill S.C., Pan Y.-L., Chang R.К. Backward enhanced emission from multiphoton processes in aerosols // Appl. Phys. B. 2002. V. 75. N. 2-3. P. 145-152.

190. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Характеристики углового распределения интенсивности многофотонно возбужденной флуоресценции в сферических каплях // Изв. ВУЗов. Физика. 2007. Т.50. № 12. С. 19-25.

191. Дифракционная компьютерная оптика / Под ред. Сойфера В.А. (М.: Физматлит. 2007) 736 С.

192. Гейнц Ю.Э., Земляное А.А., Панина Е.К. Моделирование многофотонно возбужденной флуоресценции сферической капли, облученной ультракоротким лазерным излучением, с помощью метода вычислительной электродинамики // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23. № 12. С. 1120-1126.

193. Swindal J.C., Leach D.H., Chang R.K., Young К. Procession of morphology-dependent resonances in nonspherical droplets // Opt. Lett. 1993. V.18. №3. P. 191-193.

194. Зуев B.E. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М. : Советское радио. 1970. 496 С.

195. Yang W. Improved recursive algorithm for light scattering by a multilayered sphere // Appl. Opt. 2003. V. 42. № 9. P. 1710-1720.

196. Xu H. Multilayered metal core-shell nanostructures for inducing a large and tunable local optical field // Phys. Rev. B. 2005. V 75. 073405.

197. Kim J.S., Lee S.S. Scattering of laser beams and the optical potential well for a homogeneous sphere // JOSA B. 1983. V. 73. P. 303-312.

198. Davis L.W. Theory of electromagnetic beams // Phys. Rev. A. 1979. V. 19. P. 1177-1179.