Распространение ультракоротких электромагнитных импульсов в естественных средах и искусственных структурах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Мануйлович, Егор Сергеевич

• Мануйлович, Егор Сергеевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Мануйлович, Егор Сергеевич

Оглавление

Введение. Литературный обзор Глава 1. УКИ в естественных средах

1.1. Распространение УКИ во влажном воздухе

1.2. Распространение УКИ в твердотельной плазме

1.3. Отражение УКИ от плазменного слоя

1.4. Выводы

Глава 2. УКИ в искусственных структурах

2.1. Распространение УКИ в среде с двухуровневыми центрами

2.2. Распространение УКИ в структурах с фано-подобным резонансом

2.3. Выводы

Глава 3. Сверхфокусировка УКИ и возбуждение квантовых точек полем сфокусированного импульса плазмонов

3.1. Сверхфокусировка УКИ

3.2. Селективное возбуждение квантовых точек

3.3. Выводы Заключение Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Распространение ультракоротких электромагнитных импульсов в естественных средах и искусственных структурах»

Введение

Актуальность темы исследования

В последнее время наблюдается значительный прогресс в генерации ультракоротких импульсов с возможностью контролировать форму огибающей импульса, а также фазовые характеристики [1]. Продемонстрирована генерацж субфемтосекундных импульсов. Длительность таких импульсов вплотную приближается к атомным масштабам времени, что позволяет с их помощью наблюдать процессы, происходящие в отдельных атомах.

Ультракороткими импульсами называют обычно импульсы, за время которых электромагнитное поле совершает лишь несколько колебаний. То есть их длительность сравнима с периодом колебаний на несущей частоте. Важной особенностью ультракоротких импульсов является ширина спектра, которая, как правило, составляет не менее 25% от частоты несущей, а для импульсов без несущей частоты (например, косинус-вейлет импульс) ширина спектра сравнима с частотой максимума спектра. Длительность ультракоротких импульсов удобно измерять в циклах. Количество циклов -это, условно говоря, количество полных колебаний электромагнитного поля или отношение длительности импульса к периоду несущей. Ультракороткие импульсы получены в различных спектральных диапазонах: от терагерцового до мягкого рентгена.

В последние десятилетия активно изучались возможности использования ультракоротких лазерных импульсов для изготовления сложных структур и приборов. Методы лазерной обработки с помощью ультракоротких импульсов могут быть использованы для структурирования материалов с субмикронным пространственным разрешением. Прямая лазерная запись в специальных прозрачных средах может быть использована для создания сложных трехмерных фотонных кристаллов, микрооптических

компонент, решеток показателя преломления, оптических волноводов и т.п. Такие структуры полезны для разработки телекоммуникационных и биоинженерных приложений следующего поколения, которое предполагает использование более миниатюрных компонент. Точность, скорость обработки и универсальность делают сверхбыструю лазерную обработку важным инструментом для производства.

Использование УКИ перспективно в таких областях науки и техники

как:

- фундаментальные исследования электронной динамики атомов и нанообъектов: ультракороткие импульсы в ультрафиолетовой области спектра по длительности вплотную приближаются к атомной константе времени (24 ас), что позволяет использовать их для изучения процессов, происходящих в отдельных атомах.

- оптоэлектронные устройства нового поколения с высоким быстродействием

- системы широкополосной связи: коммерческие системы сверхширокополосных связи, работающие на ультракоротких импульсах обладают следующими преимуществами: высокая помехоустойчивость, адаптивность к реальным условиям, низкий (шумового типа) уровень сигнала, эффективное использование выделенной полосы частот.

- оптические сенсоры: ультракороткие импульсы позволяют измерять быстропротекающие процессы.

- фемтохимия: использование фемтосекундных импульсов позволяет исследовать особенности химических реакций в реальном времени: как и с какой скоростью перемещаются атомы реагентов в процессе реакции.

- биомедицина: исследование внутриклеточных процессов в реальном времени.

Степень разработанности темы исследования

Для теоретического изучения распространения импульсов в линейном режиме и их взаимодействия со средой удобно использовать спектральное представление. В случае ультракоротких импульсов такие распространенные модели, как импульс с гауссовой огибающей, должны использоваться с осторожностью, так как в распространяющемся импульсе должна отсутствовать спектральная компонента на нулевой частоте. Однако малоцикловые импульсы с гауссовой огибающей содержат в спектре постоянную составляющую. Для корректного описания ультракоротких импульсов с формой, близкой к гауссовой, был предложен скорректированный гауссовский импульс, в спектре которого отсутствует спектральная компонента на нулевой частоте [2].

Дисперсионное расплывание импульсов в атмосфере было рассмотрено в [3]. В работе моделировалось распространение импульсов в линейно диспергирующей среде. Для расчетов использовались импульсы гауссовой временной формы и в форме гиперболического секанса. Было установлено, что при начальных длительностях импульсов порядка нескольких пикосекунд максимальное расстояние передачи сигнала составляет 1 -2 километра, а длительность импульса в результате дисперсионного расплывания увеличивается в ~2 раза. Зависимость параметров пучка при его распространении от влажности и начальной ширины пучка в этой работе не рассматривалась. В экспериментальной работе [4] было изучено распространение чирпированных импульсов [5] с центральной длиной волны 800 нм и длительностью в несколько десятков фемтосекунд при различной энергии. Авторами [4] поставлена серия экспериментов по распространению УКИ на расстояние 110 м, и выяснено, что нелинейными эффектами при энергии импульса до 1.9 мДж можно пренебречь. Кроме того, продемонстрировано дисперсионное сжатие импульса от начальной длительности импульса в 150 фс до минимальной длительности 55 фс после

прохождения расстояния в воздухе в 110 м. Сопоставление результатов уширения импульса с теоретической оценкой [6] дало удовлетворительное согласие. В работе [7] было экспериментально измерено искажение инфракрасных лазерных импульсов, вызванное поглощением водяными парами. Длительность импульсов в этих экспериментах составляла 2 пс, при этом длина волны варьировалась от 4 до 12 мкм. Спектральная ширина импульса составляла 30 нм. Выяснено, что затуханием импульса вследствие поглощения практически можно пренебречь, так как спектральная ширина пиков поглощения много меньше спектральной ширины импульса, в результате чего поглощается лишь малая часть энергии. В то же время, обнаружено, что поглощение заметно влияет на форму и длительность импульса. Несмотря на достигнутые успехи в теоретическом понимании распространения пикосекундных и субпикосекундных импульсов, подтвержденном экспериментальными исследованиями [5-7], отсутствуют расчеты распространения более коротких импульсов фемтосекундной длительности, для которых спектральная ширина значительно больше. Для их описания ограничение вторым порядком теории дисперсии без учета поглощения уже недостаточно.

Подход, включающий материальную дисперсию для анализа распространения ультракоротких импульсов, приведен в [8], а также в [9], где он используется для изучения сжатия относительно длинного лазерного импульса. В работе [8] была рассмотрена задача об отражении ультракоротких импульсов различной формы от слоя плазмы конечной толщины с постоянной плотностью свободных зарядов, а также об отражении от полубесконечной плазменной среды и дробно-линейной среды с учетом и без учета дисперсии. Было показано, что УКИ испытывают максимальные искажения, когда такие импульсы отражаются от неоднородной и диспергирующей среды. В то же время анализ в [8] основан

на предположении медленно меняющейся амплитуды, что в общем случае неверно для импульсов длительностью в один-два цикла.

При рассмотрении качественных особенностей взаимодействия резонансного излучения и квантовых систем широко используется двухуровневое приближение [10]. В случае УКИ это взаимодействие может существенно отличаться от своего «длинно-импульсного» аналога, когда справедливы приближения вращающейся волны и медленно меняющейся амплитуды. Так, в работе [11] исследовалось распространение субцикловых электромагнитных импульсов в двухуровневой среде на основании решения системы уравнений Блоха-Максвелла без использования вышеуказанных приближений. В цитируемой статье было показано нарушение теоремы площадей Мак-Колла - Хана [10] для субцикловых импульсов достаточно большой площади. В статье [12] был проведен численный анализ эволюции формы УКИ с помощью решения уравнений Шредингера-Максвелла методом конечных временных разностей, который выявил ряд специфических черт распространения УКИ в двухуровневой среде, связанных с формированием 2п-солитонов в результате расщепления начального импульса. В работе [13] на основе численного решения совместной системы уравнений Максвелла-Блоха рассматривалось распространение ультракоротких импульсов терагерцового диапазона в многоуровневых средах. В этой работе был продемонстрировано влияние абсолютной фазы импульса на взаимодействие со средой. Акцент был сделан на прохождение ультракоротких импульсов через многослойные неупорядоченные структуры.

В работе [14] проводилось численное моделирование взаимодействия ультракоротких импульсов с оптически тонкой пластиной, однако предметом рассмотрения стали как оптически прозрачные, так и поглощающие пластины, а скачкообразное изменение параметров среды привело к резонансному характеру взаимодействия импульса со средой. Известно, что

интересные явления могут наблюдаться даже тогда, когда плоские волны падают на резкую границу раздела между различными поглощающими однородными средами [15, 16].

В работе [17] показано, что если использовать в качестве направляющей структуры конический проводник, то по мере приближения к вершине конуса происходит фокусировка поля в очень малой пространственной области, а напряженность электрического поля чрезвычайно возрастает. Это явление используется в оптической микроскопии ближнего поля для исследования объектов с наноразмерным разрешением, поскольку обеспечивает контролируемую доставку к ним поля. Нелокальные эффекты, обусловленные пространственной дисперсией, приводят к незначительному снижению эффекта усиления [18, 19]. В работе [20] численными методами исследовано снижение максимального эффекта фокусировки за счет конечной кривизны острия, и определен оптимальный для сверхфокусировки угол раствора конуса.

Теоретические работы [21, 22] показали возможность генерирования в нанопроволоках волновых пакетов плазмонов (плазмон-поляритонов), которые распространяются вдоль нанопроводника и представляют собой суперпозицию плазмонных мод в многорезонансной системе.

В литературе некоторые вопросы не были достаточно изучены и стали предметом рассмотрения в настоящей работе. В частности, при моделировании распространения УКИ в воздухе, не было уделено внимание зависимости параметров от влажности воздуха. В литературе изучение взаимодействия УКИ с плазменным слоем в основном ограничено случаями резких границ раздела сред диэлектрик-плазма, однако реальные границы раздела представляют собой слои с плавным изменением концентрации носителей заряда, которые были рассмотрены в данной работе. В литературе задача распространения электромагнитных импульсов в диспергирующих средах анализируется в основном в приближении медленно меняющихся

амплитуд, что в общем случае неверно для импульсов длительностью в один-два цикла. В настоящей работе проведено обобщение на случай более коротких импульсов. Задача о фокусировке ультракороткого импульса поверхностных плазмонов проводящим конусом также не была в освещена в литературе. В данной работе исследуются как особенности фокусировки таких УКИ, так и использования сфокусированного излучения для селективного воздействия на квантовые системы.

Цель работы

Целью работы является теоретическое исследование особенностей распространения и ультракоротких импульсов в диспергирующих средах и их взаимодействия с искусственными структурами в зависимости от характеристик среды и начальных параметров импульса. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. На основании численного подхода проанализировано распространение ультракоротких оптических импульсов в сухом и влажном воздухе

2. Исследованы особенности распространения ультракоротких импульсов в твердотельной плазме.

3. На основании квантово-механической аналогии рассчитано взаимодействие УКИ с плазменным слоем и плазменным барьером с плавным изменением концентрации носителей заряда.

4. В линейном по полю приближении проанализировано распространение УКИ скорректированной гауссовой формы в стекле с двухуровневыми оптическими центрами.

5. Рассмотрено взаимодействие электромагнитных импульсов конечной спектральной ширины со структурами, проявляющими дисперсионные свойства с резонансом типа Фано, на примере фотонно-кристаллического волновода со специальными вставками-дефектами.

6. Исследована задача фокусировки ультракоротких импульсов поверхностных плазмонов проводящим конусом.

7. На основании численного решения уравнений Блоха проанализирован вопрос о возможности использования сфокусированного излучения для селективного возбуждения квантовых систем.

Научная новизна работы

1. Впервые исследована степень сжатия и расстояние минимальной длительности малоциклового импульса скорректированной гауссовской формы с отрицательным начальным чирпом при распространении в сухом и влажном воздухе в зависимости от влажности воздуха.

2. Впервые исследована зависимость амплитуды отраженного импульса при взаимодействии с плазменным слоем в зависимости от параметра толщины слоя и максимальной плазменной частоты для ультракоротких импульсов различной длительности.

3. Впервые продемонстрировано расщепление ультракороткого импульса на субимпульсы при распространении в среде с двухуровневыми центрами.

4. Впервые вычислен интегральный коэффициент пропускания ультракоротких импульсов для фотоннокристаллического волновода с вставками-дефектами, проявляющего дисперсионные свойства резонанса типа Фано.

5. Впервые теоретически показана возможность селективного возбуждения квантовых точек затухающим полем импульса плазмон-поляритонов, сфокусированного металлическим конусом.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы определяется обнаруженными в ходе исследования новыми фундаментальными закономерностями распространения УКИ в различных естественных средах и искусственных структурах.

Установлены области изменения параметров задачи фокусировки ультракороткого импульса плазмон-поляритонов, в которых коэффициент усиления максимален. Кроме того установлены типичные значения параметров задачи возбуждения квантовых точек, при которых наблюдается пространственная селективность возбуждения.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в фотонике, плазмонике, оптоэлектронике, субволновой ультрабыстрой оптической микроскопии, лазерной физике, квантовой электронике, различных биомедицинских приложениях и смежных областях науки и техники.

Методология и методы исследования

Методология и методы исследования диссертационной работы определяются характерными масштабами временных и пространственных параметров поставленных задач. Так, при распространении УКИ в диспергирующих средах использован спектральный подход, как точно описывающий эволюцию импульса в линейном режиме распространения. Кроме того, при рассмотрении задачи о рассеянии ультракоротких импульсов плавным плазменным барьером и плазменным слоем с плавным изменением концентрации свободных носителей заряда применена квантово-механическая аналогия, так как она дает точное аналитическое решение для спектральных компонент электромагнитного импульса при взаимодействии с плавными плазменными структурами некоторых специальных профилей концентрации свободных зарядов.

При рассмотрении фотонно-кристаллического волновода со специальным вставками-дефектами вслед за [23] использован подход матрицы перехода, позволяющий раздельно вычислить взаимодействие различных частей рассматриваемой структуры с оптическим импульсом, чтобы затем взаимодействие прошедшего импульса описать с помощью матрицы, равной произведению матриц отдельных элементов.

При рассмотрении задачи фокусировки плазмон-поляритонов используется точное аналитическое решение волнового уравнения для монохроматического электромагнитного поля в сферических координатах, соответствующее распространяющейся поверхностной волне. Для нахождения вероятности возбуждения квантовой точки затухающим полем поверхностной волны используется численное решение оптического уравнения Блоха.

Положения, выносимые на защиту

1. Установлена зависимость от влажности воздуха расстояния минимальной длительности импульса с отрицательным начальным чирпом при его распространении во влажном воздухе.

2. Получена амплитуда отраженного импульса, при его отражении от плазменного слоя с плавным изменением концентрации носителей заряда, в зависимости от параметра толщины барьера является функцией с максимумом, положение максимума зависит от длительности импульса.

3. Найдено, что при распространении УКИ в среде с двухуровневыми центрами наблюдаются биения, частота биений зависит от расстояния распространения.

4. Определено, что коэффициент усиления импульса плазмон-поляритонов при распространении в металлическом коническом волноводе-фокусаторе зависит от материала конуса, угла раствора

конуса и начального чирпа импульса. Максимальный коэффициент усиления достигается в серебряном конусе. Отрицательный начальный чирп импульса приводит к увеличению коэффициента усиления.

5. Показано, что волноводы-фокусаторы в виде металлических наноконусов можно использовать для селективного воздействия на квантовые системы, в частности, для селективного возбуждения квантовых точек. Для управления вероятностью возбуждения можно использовать изменение начального чирпа импульса.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Высокая степень достоверности диссертационной работы обосновывается использованием последовательных подходов при решении поставленных задач, базирующихся на хорошо апробированных методах квантовой и классической физики.

Основные результаты диссертации доложены на следующих международных и всероссийских конференциях

1. 7th International Conference on Photonics, Devices and Systems (Прага, Чехия 2014 г.)

2. Days on Diffraction 2015, Annual International Conference (Санкт-Петербург, Россия 2015 г.)

3. ICOP 2015: 17th International Conference on Optics and Photonics (Барселона, Испания 2015г.)

4. 58-й научной конференции МФТИ с международным участием (Долгопрудный, Россия 2015 г.)

5. AIS 2016, The V International conference "Atmosphere, Ionosphere, Safety" (Калининград, Россия 2016 г.)

6. META'16, The 7th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (Малага, Испания 2016 г.)

7. SPIE "Optics + Photonics 2016", the largest international, multidisciplinary optical sciences and technology meeting in North America. (Сан Диего, США 2016 г.)

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Мануйлович Е.С., Астапенко В. А., Головинский П. А. Распространение ультракоротких лазерных импульсов в сухом и влажном воздухе // Оптика атмосферы и океана, т. 28, № 3, стр. 209-215, (2015).

2. Golovinski P.A., Astapenko V.A., Manuylovich E.S. Diffraction of ultrashort pulse on a nanoscale conductive cone // Proceedings of the International Conference "Days on Diffraction 2015", St. Petersburg, Russia, pp 118-122, (2015).

3. Мануйлович Е.С., Астапенко В.А., Головинский П.А. Сверхфокусировка ультракороткого плазмонного импульса проводящим конусом // Квантовая электроника, т. 46(1), стр. 50-56, (2016).

4. Golovinskii P.A., Astapenko V.A., Manuilovich E.S. Excitation of quantum dot by femtosecond plasmon-polariton pulse focused by conducting cone // Journal of Nanophotonics 10(3):033511, (2016).

5. Астапенко В.А., Мануйлович Е.С. Распространение ультракоротких электромагнитных импульсов в диэлектрике с двухуровневыми центрами // Известия Вузов. Физика, т. 59, № 7, стр. 34-39 (2016).

6. Бугаев А.С., Головинский П.А., Астапенко В.А., Мануйлович Е.С. Отражение и прохождение ультракороткого электромагнитного импульса при нормальном падении на плоский плазменный слой // Доклады Академии Наук, Физика, т.471, №2 (2016).

7. Астапенко В.А., Мануйлович Е.С. Взаимодействие электромагнитных импульсов с фано-подобными резонансами в фотонных кристаллах // Труды МФТИ, т.8, №4(32), (2016).

8. Astapenko V.A., Manuilovich E.S. Propagation of an ultrashort electromagnetic pulse in solid-state plasma // IRAMP 5(1), pp. 55-59, (2014).

Из них 5 статей входят в список ВАК (1, 3, 5, 6 и 7), 6 статей входят в Web of Science (1 - 6) и 1 статья (8) входит в Google Scholar.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации получены автором лично либо при его непосредственном участии. Автором были разработаны методы решения поставленных задач, дан аналитический вывод ряда основополагающих формул. Дана физическая интерпретация полученных закономерностей. Проведены численные расчеты и проанализированы их результаты.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и Библиографического списка литературы. Общий объем диссертации составляет 117 стр.

Список литературы

к Введению

1. Horvath B. Generation, characterization and sub-cycle shaping of intense, few-cycle light waveforms for attosecond spectroscopy Dissertation, Munich, 2009.

2. Owens J.C. Optical refractive index of air: dependence on pressure, Temperature and Composition // Applied Optics. 1967. Vol. 6. P. 51-59.

3. Sprangle S., Penano J.R., Hafizi B. Propagation of intense short pulses in the atmosphere // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 66. № 4. P. 046418(21).

4. Pearce J., Mittleman D. Defining the Fresnel zone for broadband radiation // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 66. № 5. P. 056602(4).

5. Yap D.F.W., Wong Y.C., Koh S.P., Tiong S.K., Mohd Tahir M.A.E. Effects of second order dispersion in free space optical communication // Journal of Applied Sciences. 2010. Vol. 10. № 7. P. 595-598.

6. Alexeev I., Ting A., Gordon D.F., Briscoe E. Penano J.R., Hubbard R.F., Sprangle P. Longitudinal compression of short laser pulses in air // Appl. Phys. Lett. 2004. Vol. 84. P. 4080-4082.

7. Hunsche S., Feng S., Winful H.G., Leitenstofer A., Nuss M.C., Ippen E.P.

Spatiotemporal focusing of single-cycle light pulses // J. Opt. Soc. Am. A. 1999. Vol. 16. № 8. P. 2025-2028.

8. Budagyan I.F., Shchuchkin G.G. The behavior of ultrashort pulses at interfaces with inhomogeneous or dispersive media // Journal of Communications Technology and Electronics. 52, No. 2, 164-178 (2007).

9. Гутман А.Л., Манько А.Н. Модели распространения коротких импульсов в плазменном полупространстве // Радиотехника, N6, - С.20-23 (2001).

10. Аллен Л., Эберли Дж. Оптический резонанс и двухуровневые атомы. Издательство Мир, М.: 1978, 222 с.

11. NovitskyD.V.. Phys. Rev. A. - 2012. - V. 86. - 063835.

12. Tarasishin A.V., Magnitskii S.A., Shuvaev V.A. and Zheltikov A.M. Optics Express. - 2011. - V. 8. - P. 452.

13. Загурский Д.Ю., Захарова И.Г., Трофимов В. А. Распространение малопериодного импульса в однородных и неоднородных средах // Известия РАН, Серия физическая. - 2015. - Т. 79, № 12. - С. 1719-1724

14. Комарова Е. С., Трофимов В. А., Федотов М. В. Прохождение малопериодного фемтосекундного импульса оптически тонкой пластины // Прикладная математика и информатика. Труды факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова. — 2014. — № 47. — С. 5-24.

15. Shevchenko V.V., Radiotekh. Elektron. (Moscow) 48, 1202 (2003) // J. Commun. Technol. Electron. 48, 1102 (2003).

16. Shevchenko V.V., Radiotekh. Elektron. (Moscow) 49, 1048 (2004) // J. Commun. Technol. Electron. 49, 981 (2004).

17. Babajanyan A.J., Margaryan N.L. and Nerkararyan Kh.V. Superfocusing of surface polaritons in the conical structure. J. Applied Physics, 87, 3785-3788 (2000).

18. Ruppin R. Effect of non-locality on nanofocusing of surface plasmon field intensity in a conical tip. Phys. Lett. A, 340, 299-302 (2005).

19. Wiener A., Fernández-Domínguez A.I., Horsfield A.P. and Pendy J.B. Nonolocal effects in the nanofocusing performance of plasmonic tips. Nano Lett. 12, 3308-3314 (2012).

20. Goncharenko A.V., Wong J.K. and Chang Y.-Ch. Electric near-field enhancement of a sharp semi-infinite probe: material and con angle dependence. Phys. Rev. B, 74, 235442(9) (2006).

21. Aeschlimann M., Bauer M., Bayer D., Brixner T., de Abajo F. J. G., Pfeiffer W., Rohmer M., Spindler C. and Steeb F. Adaptive subwavelength control of nano-optical fields. Nature, 446, 310-304 (2007).

22. Cao L., Nome R.A., Montgomery J.M., Gray S.K. and Scherer N.F. Controlling plasmonic wave packets in silver nanovires. Nano Lett. 10(9), 3389-3394 (2010).

23. Fan S. "Sharp asymmetric line shapes in side-coupled waveguide-cavity systems", Applied Physics Letters, vol. 80, 6, (2002).

Глава 1. УКИ в естественных средах. 1.1. Распространение УКИ в сухом и влажном воздухе

Рассмотрение особенностей распространения ультракоротких электромагнитных импульсов начнем с естественных диспергирующих сред. В первом параграфе первой главы описан подход к рассмотрению воздушной среды с учетом влажности.

Распространение лазерного излучения в атмосфере представляет значительный интерес как с точки зрения общих закономерностей этого явления, так и в связи с многообразными практическими приложениями [1]. Значительная часть усилий в этой области была направлена на исследование распространения лазерных импульсов большой интенсивности, для которых важную роль играют оптические нелинейности [2, 3]. Отдельный интерес представляет использование распространяющихся импульсов для исследования характеристик атмосферы, включая измерение времен релаксации и декогеренции [4, 5]. Значительное влияние на распространение лазерных импульсов в атмосфере оказывает ее турбулентность [6-8]. Вносимые ею искажения могут быть частично скомпенсированы методами адаптивной оптики [9-11].

Понимание характера распространения ультракоротких импульсов (УКИ) малой интенсивности в атмосфере в рамках линейной электродинамики необходимо для метеорологических и геодезических измерений, а также для организации беспроводной оптической передачи данных [12]. Такие измерения, а также связанные с ними теоретические расчеты эффектов распространения, требуют точного учета дисперсии воздуха, так как при регистрации сигнала необходимо уметь отделять эффекты искажения импульса зондирующего излучения в атмосфере от воздействия самой измеряемой величины. При организации воздушной оптической передачи данных влияние дисперсионного расплывания

импульса накладывает ограничения на минимальную длительность импульса, и, следовательно, пропускную способность канала, а поглощение в атмосфере - на максимальную дистанцию передачи сигнала.

Реальные лазерные импульсы имеют конечный поперечный размер, что подразумевает наличие дифракционного пространственного расплывания длинных импульсов, а для коротких импульсов - формирование сложной пространственно-временной динамики [13-16]. Однако существенные изменения пространственно-временной структуры импульса в процессе его линейного распространения в вакууме обнаружены теоретически и экспериментально [17,18] только для малоцикловых импульсов и апертур, сопоставимых с продольными размерами импульсов или вблизи каустик. В данной главе рассматривается распространение пучков фемтосекундных одноцикловых и трехцикловых импульсов в сухом и влажном воздухе с учетом дифракции.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мануйлович, Егор Сергеевич, 2016 год

Список литературы

1. Zuev V.E. Laser beam in the atmosphere. New York, Plenum Publishing Corporation, 1982. 503 p.

2. Sprangle S., Penano J.R., Hafizi B. Propagation of intense short pulses in the atmosphere // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 66. № 4. P. 046418(21).

3. Kasparian J., Wolf J.-P. Physics and applications of atmospheric nonlinear optics and filamentation // Optics Express. 2008. Vol. 16. № 1. P. 466-493.

4. Mattis I., Ansmann A., Althausen D., Jaenisch V., Wandinger U., Muller D., Arshinov Y., Bobrovnikov S., Serikov I. Relative-humidity profiling in the troposphere with a Raman lidar // Applied Optics-LP. 2002. Vol. 41. № 30. P. 6451-6462.

5. Hartman H.-J., Laubereau A. Transient infrared spectroscopy on the picosecond time-scale by coherent pulse propagation // J. Chem. Phys. 1984. Vol. 80. № 10. P. 4663-4670.

6. Shaik K.S. Atmospheric propagation effects relevant to optical communications // TDA Progress Report. 1988. Vol. 42-94. P. 180-200.

7. Coherence and ultrashort pulse laser emission / Ed. by Dr. F.J. Duarte. Rijeka, InTech, 2010. 688 p.

8. Маракасов Д.А. Структура пространственно-временного спектра лазерного пучка в атмосфере в условиях сильной турбулентности // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26, № 5. С. 345-349.

9. Артыщенко С.В., Головинский П.А., Чернов Р.А. Восстановление фазы волнового фронта с использованием комплексной нейронной сети // Оптика атм. и океана. 2014. Т. 27. № 10. С.1-5.

10. Wilks S.C., Morris J. R., Brase J.M., Olivier S.S., Henderson J.R., Thompson C., Kartz M., Ruggerio A.J. Modeling of adaptive optics-based free-space communications systems // Proc. SPIE 2002. Vol. 4421. P. 121-128.

11. Wu H., Yan H., Li X. Modal correction for fiber-coupling efficiency in freespace optical communication systems through atmospheric turbulence // Optik. 2010. Vol. 121. P. 1789-1793. 12.Salihi J.A., Weiner A.M., Heritage J.P. Coherent ultrashort pulse codedivision multiple access communication systems // J. of Light Technology. 1990. Vol. 8. № 3. P. 478-491.

13. Porras M.A. Nonsinusoidal few-cycle pulsed light beams in free space // J. Opt. Am. B. 1999. Vol. 16. № 9. P. 1468-1474.

14.Головинский П.А., Михайлов Е.М. Описание дифракции и фокусировки ультракоротких импульсов на основе нестационарного метода Кирхгофа-Зоммерфельда // ЖЭТФ. 2000. Т. 117. Вып. 2. С. 275-285.

15.Saari P. Evolution of subcycle pulses in nonparaxial Gaussian beams // Optics Express. 2001. Vol. 8. № 11. P. 590-598.

16.Lin Q., Zheng J., Becker W. Subcycle pulsed focused vector beams // Phys. Rev. Lett. Vol. 97. № 25. P. 253902(4).

17.Hunsche S., Feng S., Winful H.G., Leitenstofer A., Nuss M.C., Ippen E.P. Spatiotemporal focusing of single-cycle light pulses // J. Opt. Soc. Am. A. 1999. Vol. 16. № 8. P. 2025-2028.

18.Pearce J., Mittleman D. Defining the Fresnel zone for broadband radiation // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 66. № 5. P. 056602(4).

19.Edlen B. The refractive index of air // Metrologia. 1966. Vol. 2. P. 71-80.

20. Owens J.C. Optical refractive index of air: dependence on pressure, Temperature and Composition // Applied Optics. 1967. Vol. 6. P. 51-59.

21.Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухорукое А.П. Теория волн. Москва, Наука, 1979. - 383 с.

22.Caron C.F.R., Potvlirge R.M. Free-space propagation of ultrashort pulses: space-time coupling in Gaussian pulse beams // J. of Modern Optics. 1999. Vol. 46. № 13. P. 1881-1891.

23.Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. Мщсква, Наука, 1988. 310 с.

24. Christov I.P. Propagation of femtosecond light pulses // Opt. Commun. 1985, Vol. 53. № 6. P. 362-366.

25. Zuev V.E. Spectroscopy of atmospheric gases (spectral databases) // Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2012.

26. Астапенко В.А. Взаимодействие электромагнитных импульсов с классическими и квантовыми системами. Москва, Изд. МФТИ, 2013. 232 с.

27. Hassan M. Synthesis and control of attosecond light transients Dissertation, Munich, 2013.

28. Horvath B. Generation, characterization and sub-cycle shaping of intense, few-cycle light waveforms for attosecond spectroscopy. Dissertation, Munich, 2009.

29. Krausz F., Ivanov M. Attosecond Physics // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. pp. 163-234.

30. Gets A.V., Krainov V.P. Ionization of atoms by attosecond pulses // Contribution to Plasma Physics. 2013. Vol. 53. pp. 1-8.

31. Astapenko V.A. Simple formula for photoprocesses in ultrashort electromagnetic field // Physics Letters A. 2010. Vol. 374. pp. 1585-1590.

32. Sonnichsen C. Plasmons in metal nanostructures. Gottingen: Cuvillier Verlag, 2001, 134 p.

33. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М: ЛЕНАНД, 2015. - 688.

34. Кутищев С.Н, Головинский П.А. Определение параметров тел простой формы по рассеянию ультракоротких импульсов // Известия вузов. Радиофизика. Т. LI, №6. 2008.

35. Budagyan I.F., Shchuchkin G.G. The behavior of ultrashort pulses at interfaces with inhomogeneous or dispersive media // Journal of Communications Technology and Electronics. 52, No. 2, 164-178 (2007).

36. Гутман А.Л., Манько А.Н. Модели распространения коротких импульсов в плазменном полупространстве // Радиотехника, 2001, N6, -С.20-23.

37. Комарова Е. С., Трофимов В. А., Федотов М. В. Прохождение малопериодного фемтосекундного импульса оптически тонкой пластины // Прикладная математика и информатика. Труды факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ имени М.В. Ломоносова. — 2014. — № 47. — С. 5-24.

38. Wu H.-C., Meyer-ter-Vehn J. Giant half-cycle attosecond pulses // Nature Photonics 6, 304-307 (2012)

39. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 800 с.

40. Гольдман И.И., Кривченков В.Д. Сборник задач по квантовой механике. М.: ГИТТЛ, 1957. - 275 с.

41. Галицкий В.М., Карнаков Б.М., Коган В.И. Задачи по квантовой механике. М.: Наука, 1992. - 879 с.

42. Мануйлович Е.С., Астапенко В.А., Головинский П.А. Распространение ультракоротких лазерных импульсов в сухом и влажном воздухе // Оптика атмосферы и океана. - 2015. Т. 28. - С. 105.

43. Астапенко В.А. Электромагнитные процессы в среде, наноплазмоника и метаматериалы. Долгопрудный: Интеллект 2012, 583 с.

44. Khashan M.A., Nassif A.Y. Dispersion of the optical constants of quartz and polymethyl methacrylate glasses in a wide spectral range: 0.2-3^m // Optics Communications. - 2001. - V. 188. - P.129.

45. Fan S. Sharp asymmetric line shapes in side-coupled waveguide-cavity systems // Applied Physics Letters, vol. 80, 6, (2002).

46. Fano U. Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts // Phys. Rev. 124, 1866 (1961).

47. Madden R.P., Codling K. Two-Electron Excitation States in Helium // Astrophysical Journal, 141, 364 (1965).

48. Astapenko V.A., Svita S.Yu. Scattering of electromagnetic pulses by metal nanospheres in the vicinity of a Fano-like resonance // Physics Letters A, 379, 1293-1296 (2015).

49. Bloch I., Dalibard J., Zwerger W. Many-body physics with ultracold gases // Rev. Mod. Phys. 80, 885 (2008).

50. Miroshnichenko A.E., Flach S., Kivshar Y.S. Fano resonances in nanoscale structures // Rev. Mod. Phys. 82, 2257 (2010).

51. Fedotov A.B., Naumov A.N., Zheltikov A.M. Frequency-tunable supercontinuum generation in photonic-crystal fibers by femtosecond pulses of an optical parametric amplifier // J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, No. 9, 2156-2164 (2002).

52. Judson R.S. and Rabitz H. Teaching lasers to control molecules // Phys. Rev. Lett., 68, 1500-1503 (1992).

53. Assion A., Baumert T., Bergt M., Brixner T., Kiefer B., Seyfried V., Strehle M. and Gerber G. Control of chemical reactions by feedback-optimized phase-shaped femtosecond laser pulses // Science, 282, 919-922 (1998).

54. Головинский П.А. Принцип максимума Понтрягина для квантовой задачи быстродействия // АиТ 4, 42-45 (2007).

55. Stockman M.I., Faleev S.V. and Bergman D.J. Coherent control of femtosecond energy localization in nanosystems // Phys. Rev. Lett. 88, 067402 (2002).

56. Stockman M.I., Bergman D.J. and Kobayashi T. Coherent control of nanoscale localization of ultrafast optical excitation nanosystems // Phys. Rev. B. 69, 054202 (2004).

57. Novotny L. and Hecht B. Principles of Nano-Optics. Cambridge, (Cambridge Univ. Press, 2006).

58. Ditlbacher H., Honenan A., Wagner D., Aussenegg F.R. and Krenn J.R. Silver nanowires as surface plasmon resonator // Phys. Rev. Lett. 95, 257403(4) (2005).

59. Li Z., Hao F., Huang Y., Fang Y., Nordlander P. and Xu H. Directional light emission from propagation surface plasmons of silver nanowires // Nano. Lett. 9, No. 12, 4383-4386 (2009).

60. Berweger S., Atkin J.M., Olmon R.L. and Rashke M.B. Light on the tip of needle: plasmonic nanofocusing for spectroscopy on the nanoscale // J. Phys. Chem. Lett. 3, 9450952 (2012).

61. Berweger S., Atkin J.M., Xu X.G., Olmon R.L. and Rashke M.B. Femtosecond nanofocusing with full optical waveform control // Nano Lett. 11, 4309-4313 (2011).

62. Kravtsov V., Atkin J.M., Rashke M.B. Group delay and dispersion in adiabatic plasmonic nanofocusing // Optics Letters. 38, 1322-1324 (2013).

63. Babajanyan A.J., Margaryan N.L. and Nerkararyan Kh.V. Superfocusing of surface polaritons in the conical structure // J. Applied Physics, 87, 37853788 (2000).

64. De Angelis F., Proietti Zaccaria R., Francardi M., Liberale C. and Di Fabrizio E. Multi-scheme approach for efficient surface plasmon polariton generation in metallic conical tips on AFM cantilevers // Optic Express, 19, No. 22, 22268-22279 (2011).

65. Agio M., Chen X.W. and Sandonghdar V. Nanofocusing radially-polarized beams for high-throughput funneling of optical energy to the near field // Optic Express 18(10), 10878-10887 (2010).

66. Ваганов Р.Б., Каценеленбаум Б.З.. Основы теории дифракции. (М.: Наука, 1982).

67. Jonson P.B. and Christy R.W. Optical constants of the noble metals // Phys. Rev. B, 6, 4370 (1972).

68. Dionne J.A., Sweatlock L.A. and Atwater H.A. Planar metal plasmon waveguides: frequency-dependent dispersion, propagation, localization, and loss beyond the free electron model // Phys. Rev. B, 72, 075405 (2005).

69. Barchiesi D. and Grosges T. Fitting the optical constants of gold, silver, chromium, titanium, and aluminum in visible bandwidth // J. Nanophotonics. 8, 083097(16) (2014).

70. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Основные дифференциальные уравнения математической физики. (М.: ГИФМЛ, 1962).

71. Никифоров А.Ф., Уваров В.Б. Специальные функции математической физики. Долгопрудный: «Интеллект», 2007. (Nikiforov, Uvarov. Special Functions of Mathematical Physics: A Unified Introduction with Application, 2013).

72. Алексеенко Я.В., Монахов А.М., Рожанский И.В. Моды шепчущей галереи конического резонатора // ЖТФ. Т. 79. вып. 11, 72-76 (2009).

73. Matushev A.A. and Fohtung E.B. On the computation and applications of Bessel functions with pure imaginary indices (orders) in physics and specifically in corpuscular optics // Научное приборостроение, 26, №1, 144-151 (2014).

74. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, рядов и произведений. // СПб, «БХВ-Петербург», С. 499 (2011).

75. Rakic A.D., Djurisic A.B., Elazar J.M., and Majewski M.L. Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices // Appl. Opt. 37, 5271-5283 (1998).

76. Krummheuer B., Axt V.M., and Kuhn T. Theory of pure dephasing and the resulting absorption line shape in semiconductor quantum dots // Phys. Rev. B, 65, 195313 (2002).

77. D 'Amico I. and Rossi F. Field-induced Coulomb coupling in semiconductor macroatoms: Application to single-electron quantum devices // Appl. Phys. Lett., 79, 1676 (2001).

78. Jacak L., Hawrylak P., and Wojs A. Quantum Dots, Springer-Verlag, Heidelberg (1998).

79. Nazir A., Lovett B.W., Barrett S.D., Reina J. H., and Briggs G.A.D. Anticrossings in Förster coupled quantum dots // Phys. Rev. B, 71, 045334 (2005).

80. Arustamyan M.G., Astapenko V.A. Phase control of two-level system excitation by short laser pulses // Laser Physics, 18(6), 10131-1036 (2008).

81.Astapenko V.A., Romadanovskii M.S. Excitation of a two-level system by chirped laser pulse // Laser Physics, 19, 969-973 (2009).

82.Astapenko V.A. Interaction of ultrafast electromagnetic pulses with matter // Springer Briefs in Physics, Heidelberg, New York, Dordrecht, London (2013).