В рамках празднования 80-летия университета продолжаем публиковать материалы о научных школах ЮУрГУ. Научная школа в области когерентной и нелинейной оптики была создана в Челябинске в 1988 году, когда вместе с группой сотрудников и аспирантов в Челябинск приехал Борис Зельдович.
За 35 лет ее существования получены результаты, которые неоднократно публиковались в ведущих российских и зарубежных изданиях, а также докладывались на международных конференциях. Среди достижений школы можно выделить следующие.
Предсказан и обнаружен экспериментально оптический эффект Магнуса, который проявляется в повороте спекл-картины лазерного излучения, прошедшего через многомодовое волокно при смене знака циркулярной поляризации излучения, падающего на вход волокна. Эффект интерпретирован как результат спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически неоднородной среде. В рамках данного подхода предсказан и экспериментально обнаружен ряд новых оптических эффектов.
Предсказана и экспериментально обнаружена топологическая оптическая активность при распространении света через прямолинейное оптическое волокно. Угол и знак поворота плоскости поляризации хорошо согласуются с геометро-оптической теорией параллельного транспорта поляризации по Рытову, Владимирскому, Берри.
Предсказано и обнаружено, что при распространении линейно поляризованного света в волокне спиральной формы угол поворота торца волокна совпадает с углом поворота плоскости поляризации при изменении кручения траектории волокна.
Предсказан и обнаружен поворот спекл-картины света, прошедшего через оптическое волокно, скрученное в спираль, при изменении кручения траектории волокна.
Теоретически исследовано распространение света в слабо неоднородной локально изотропной среде в одномерном и трехмерном случае. Показано, что в отличие от одномерной задачи, где было необходимо одновременное наличие градиентов волнового сопротивления и показателя преломления, в трехмерном случае для возникновения эффекта достаточно только существования градиента волнового сопротивления.
Предсказано и экспериментально продемонстрировано, что поворот спекл-картины в оптическом эффекте Магнуса является неоднородным по радиусу – периферийные области поворачиваются на больший угол. Угол поворота пропорционален третьей степени угла вхождения узкого лазерного пучка в волокно.
Предсказан и экспериментально обнаружен поперечный сдвиг циркулярно поляризованного сходящегося пучка света при смене знака его циркулярности. Величина сдвига пропорциональна длине волны света и принципиально не может быть увеличена за счет накопления эффекта. Знак эффекта соответствует предсказанному, количественные оценки наблюдаемой величины эффекта согласуются с теорией. Эффект интерпретирован как проявление спин-орбитального взаимодействия фотона в вакууме в результате нарушения аксиальной симметрии. Предложена схема наблюдения обратного эффекта – влияния траектории на поляризацию света. Обнаружен эффект геометрического двулучепреломления асимметричного светового пучка в локально изотропной оптически однородной среде, который является обратным к эффекту сдвига фокальной перетяжки асимметричного сходящегося циркулярно поляризованного светового пучка при смене знака циркулярной поляризации. Эффект заключается в том, что при прохождении линейно поляризованного излучения через оптическую систему, не содержащую оптически анизотропных элементов и состоящую из линзы и двух экранирующих диафрагм, излучение становится эллиптическим, причем знак эллиптичности определяется положением диафрагм. Разработанные методики определения эллиптичности в диапазоне 10-3 – 10-7 позволили зарегистрировать возникновение эллиптичности на уровне 10-6 с точностью 10%. Таким образом, доказано экспериментально существование спин-орбитального взаимодействия фотона в оптически однородной среде.
Предсказан и обнаружен экспериментально эффект «магнитного» поворота спекл-картины, который проявляется в повороте спекл-картины света, прошедшего через маломодовое волокно, помещенное в продольное магнитное поле, при смене направления магнитного поля. Обнаружена зависимость эффекта от модового состава света, распространяющегося в волокне. Совместно с ГОИ и ВНИИТФ изготовлено оптическое волокно с магнитооптическими свойствами, в котором наблюдался не поворот, а искажение спекл-картины света, прошедшего через это оптическое волокно, помещенное в продольное магнитное поле, при изменении величины магнитного поля. Искажения спекл-картины, оцененные количественно, линейно зависят от величины магнитного поля. Теоретически показано, что на характер изменений спекл-картины в магнитном поле (поворот или искажение) влияет не только длина волокна в магнитном поле, но и полная длина волокна. Показано, что при смене направления магнитного поля поворот спекл-картины света, прошедшего через оптическое волокно, помещенное в продольное магнитное поле, должен наилучшим образом проявляться в оптическом волокне, в котором распространяются только две низшие моды, при этом величина магнитного поля Н, постоянная Верде и длина волокна в магнитном поле должны быть таковы, что. Исследовано влияние импульсного магнитного поля на распространение поляризованного излучения в оптических волокнах. Обнаружено изменение спекл-картины, носящее характер поворота.
С целью исследования возможности создания волоконно-оптического датчика магнитного поля на основе эффекта «магнитного» поворота спекл-картины предложен и изучен новый метод определения формы и пика импульса магнитного поля по изменению спекл-картины излучения, прошедшего через оптическое волокно, помещенное в исследуемое импульсное магнитное поле. В качестве метода регистрации изменения спекл-картины выбран метод, основанный на нелинейном взаимодействии волн в фоторефрактивном кристалле. Опробован новый метод определения формы и пика импульса магнитного поля по изменению спекл-картины излучения, прошедшего через оптическое волокно, помещенное в исследуемое поле. Показана возможность использования данного эффекта для создания волоконно-оптических датчиков магнитного поля.
На основе использования нелинейного взаимодействия волн в фоторефрактивном кристалле экспериментально продемонстрированы новые эффекты, связанные с оптическим эффектом Магнуса, а именно – поворот изображения в многомодовом оптическом волокне и пространственное циркулярное двулучепреломление. Предложены способы управления углом поворота изображения в многомодовом оптическом волокне. Экспериментально продемонстрирована возможность использования оптического эффекта Магнуса и обращения волнового фронта для разделения гауссовского светового пучка на два гауссовских пучка разной интенсивности. Экспериментально доказано, что относительные интенсивности гауссовских пучков определяются эллиптичностью исходного светового пучка, что позволяет использовать полученные результаты для создания датчика эллиптичности когерентного света, эффективного для определения состояния поляризации света с малой эллиптичностью.
Оптический эффект Магнуса обнаружен в маломодовом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. На основе компьютерного эксперимента по распространению поляризованного света в маломодовом оптическом волокне выявлены особенности оптического эффекта Магнуса в маломодовом оптическом волокне, обнаружена зависимость эффекта от модового состава, и вклада мод с m = ± 1. Определен критерий «маломодовости» оптического волокна со ступенчатым профилем показателя преломления и радиус сердцевины волокна, при превышении которого волокно теряет свойства «маломодовости». Определены оптимальные условия для экспериментального наблюдения.
Проведено экспериментальное исследование распространения поляризованного когерентного света с произвольным состоянием поляризации излучения в оптическом волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. Определены условия для наблюдения влияния состояния поляризации света на входе в волокно на вид спекл-картины выходного излучения, что позволяет использовать полученные результаты для создания нового метода определения эллиптичности поляризованного света, сделана оценка точности предлагаемого метода.
Предсказан и теоретически исследован оптический эффект Магнуса в оптическом волокне с ограниченным параболическим профилем показателя преломления.
Предсказана и экспериментально реализована возможность существования световых полей с единичной дислокацией волнового фронта заданного знака.
Предсказан теоретически и экспериментально обнаружен эффект неискаженного прохождения о-волны через толстую кювету с нематическим жидким кристаллом, непрозрачную в обычном смысле из-за неоднородностей ориентации директора в объеме. Экспериментально было реализовано пропускание изображения через жидкокристаллическую кювету толщиной ~ 0,5 сантиметра и неискаженной плоской волны через кювету с рекордной толщиной 3 сантиметра.
Теоретически рассмотрено распространение поляризованного света в жидкокристаллической среде с «кольцевой» анизотропией и неоднородностью по толщине. Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность визуализации состояния поляризации когерентного света в жидкокристаллической системе.
Исследован сегнетоэлектрический жидкокристаллический модулятор со встречными электродами. Рассчитано распределение электрического поля по всему объему. Показано, что данное поле имеет равномерное распределение в области, составляющей примерно 60% от общей площади апертуры модулятора. Рассчитаны модуляционные электрооптические характеристики данного типа модулятора. Показано, что изменением фазы и амплитуды управляющего поля можно добиться фазовой модуляции до величин, превосходящих 2p.
Исследовано влияние свойств структурных элементов жидкокристаллической ячейки (стеклянных подложек, электродов, ориентирующих слоев, слоя ЖК) на ее поляриметрические свойства. Показано, что многолучевая интерференция, возникающая при переотражении от данных слоев, вносит существенный вклад (~ 100) в величину фазового сдвига.
Предложены, экспериментально реализованы и теоретически рассмотрены составные перестраиваемые широкоапертурные поляризационные системы.
На примере составной перестраиваемой пластинки проведен анализ зависимости параметров составных перестраиваемых поляризационных систем от длины волны. Показано, что область перестройки может перекрывать всю видимую область, а точность настройки различна в середине и на концах интервала перестройки.
Предложен и экспериментально реализован метод настройки пластинки на любую длину волны, не требующий ни предварительных расчетов, ни эталонной пластинки, и обеспечивающий качество циркулярной поляризации.
Теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность создания перестраиваемой пластинки, которая состоит из трех перестраиваемых пластин практически произвольной толщины и которую можно подстраивать под различные длины волн света.
Теоретически рассмотрена возможность адиабатического следования состояния поляризации в среде с оптической активностью и плавно неоднородным двулучепреломлением, при которых состояние поляризации в каждой точке среды остается собственным. Полученные результаты можно использовать для создания ахроматической четвертьволновой пластинки. Теоретически определены условия, при которых возможно адиабатическое преобразование состояния поляризации белого света.
Развит общий теоретический подход, позволяющий создавать составные фазосдвигающие системы с требуемыми поляризационными характеристиками. Как основополагающее введено понятие «свободного» параметра системы. Теоретически и экспериментально доказана возможность создания перестраиваемой четвертьволновой пластинки без оптической активности, а также перестраиваемого аналога оптически активной ячейки на основе двулучепреломляющих кристаллических пластинок. Экспериментально обнаружена поляризационная анизотропия в составных фазосдвигающих системах. На основе анализа распространения в многокомпонентной фазосдвигающей системе поляризованного света, имеющего несколько монохроматических спектральных компонент, показана принципиальная возможность независимого одновременного управления состоянием поляризации каждой из монохроматических спектральных компонент излучения. Экспериментально реализована поляризационная система, состоящая из четырех двулучепреломляющих кристаллических пластинок, которая обладала свойством полуволновой пластинки на длине волны 632,8 нанометра (излучение гелий-неонового лазера) и имела перестраиваемый в широком диапазоне фазовый сдвиг на длине волны 488,0 нанометров (излучение аргонового лазера).
Разработан специальный метод нуль-эллипсометрии для определения состояния поляризации слабо эллиптически поляризованного света. Особенность предлагаемой измерительной схемы заключается в использовании компенсатора с фазовым сдвигом, существенно меньшим. Показано, что для измерения эллиптичности достаточно установить два азимутальных угла компенсатора, соответствующие гашению. Использование компенсатора с малой фазовой задержкой позволило повысить точность измерений и понизить предел регистрируемой эллиптичности по интенсивности до, то есть, по крайней мере, в сто раз по сравнению с традиционными нуль-эллипсометрическими методами. Разработаны методики определения эллиптичности в диапазоне 10-3 – 10-7, что позволило зарегистрировать возникновение эллиптичности на уровне 10-6 с точностью 10%.
Предложен новый метод измерения фазовой задержки и относительного амплитудного коэффициента пропускания тонких фазовых пластинок, которые могут быть использованы в качестве компенсаторов в специальных нуль-эллипсометрических схемах. Рассмотренный метод не требует сложной аппаратуры. Для апробации метода определены поляризационные параметры одиночных и составных двулучепреломляющих пластинок из слюды. Точность измерения обоих параметров составила. Модифицированный метод использован для определения параметров многокомпонентных фазовых систем.
На основе матричного формализма Джонса рассмотрено преобразование состояния поляризации когерентного света при прохождении через многокомпонентную фазосдвигающую систему. Показано, что интерференция многократных отражений поляризованного когерентного света приводит к изменению поляризационных свойств системы и требует новых подходов к описанию ее свойств. Рассмотрено влияние интерференции когерентного света на поляризационные свойства двухкомпонентной системы с фазовой задержкой π/2. Проведен точный расчет различных конфигураций таких систем. Обнаружено, что настройка системы для получения поляризованного излучения с правой циркуляцией отличается от настройки в случае левой циркулярной поляризации. Угол между эффективными собственными осями системы отличен от 90о. Проведено экспериментальное исследование влияния многолучевой интерференции на преобразование состояния поляризации в двухкомпонентных фазосдвигающих системах, экспериментально подтверждена необходимость специальной настройки фазосдвигающей системы для получения поляризованного света с циркуляцией определенного знака. Экспериментально исследовано преобразование излучения гелий-неонового лазера (λ=632,8 нанометра) такими системами. Получена круговая поляризация высокого качества: эллиптичность по интенсивности света на выходе системы была не меньше, чем 0,997. Для проведенного исследования разработана методика создания линейно поляризованного когерентного излучения высокого качества, разработан метод определения поляризационных параметров тонких фазовых пластинок, исследованы поляризационные свойства одиночных фазовых пластинок в условиях многолучевой интерференции света.
Предложен и экспериментально реализован новый поляризационный метод определения изменения длины волны когерентного излучения, обеспечивающий точность измерения 0,1 нанометра в узком диапазоне длин волн порядка 4 нанометров. Метод основан на зависимости угла настройки четвертьволновой перестраиваемой пластинки от длины волны, высокая точность метода обусловлена проявлением многолучевой интерференции когерентного света. Показано, что точность измерения, область и диапазон измерений можно регулировать подбором параметров фазовых пластин, из которых состоит перестраиваемая четвертьволновая пластинка.
Экспериментально и теоретически исследована возможность записи статической голограммы разночастотными пучками в кристаллах силленитов на длине волны гелий-неонового лазера.
Написаны и численно решены дифференциальные уравнения, позволяющие описывать влияние самодифракции на пространственно-частотную характеристику стационарной голографической решетки, записанной методом синхронного детектирования.
Предложен и экспериментально реализован в кристалле ниобата бария-натрия механизм пространственной фазовой самомодуляции света фоторефрактивным кристаллом во внешнем переменном электрическом поле.
Разработана методика записи динамических голограмм спекл-полей в фоторефрактивных кристаллах. Проведен цикл экспериментальных и теоретических работ по изучению эффективности записи стационарных голографических решеток бегущей интерференционной картиной во внешнем переменном электрическом поле. Показано теоретически, что возможна запись голографической решетки в условиях, когда ее вектор не параллелен, как в традиционных методах, а перпендикулярен направлению внешнего поля. Рассматриваемый механизм записи решетки был экспериментально реализован при фокусировке записывающих пучков в объем кристалла цилиндрической линзой. Обнаружено, что эффективность записи голографической решетки увеличивается при увеличении отношения периода интерференционной картины к характерному размеру изменения интенсивности в направлении приложения внешнего поля.
Теоретически и экспериментально исследована возможность невырожденного двухволнового взаимодействия в фоторефрактивном кристалле, к которому приложены внешние переменные электрические поля разной частоты. Получена зависимость дифракционной эффективности голографической решетки от разности частот записывающих световых волн.
Экспериментально исследованы особенности записи динамических голограмм в фоторефрактивных кристаллах фазомодулированными световыми пучками. Обнаружено, что использование фазовой модуляции приводит как к увеличению дифракционной эффективности голограммы, так и к росту энергообмена между двумя пучками.
Проведено исследование нестационарного взаимодействия спекл-полей в фоторефрактивных кристаллах. Продемонстрирована возможность записи динамической голографической решетки в фоторефрактивных кристаллах спекл-полями, модулированными как по фазе, так и по амплитуде. Предложена оптическая схема с обратной связью, позволяющая записывать голограммы объектов, меняющих свою частоту колебания или скорость движения.
Предложен и экспериментально реализован способ одновременной передачи нескольких сигналов по одному многомодовому волокну (демультиплексирование). Предложенный способ основан на селективном энергообмене при двухволновом взаимодействии в фоторефрактивном кристалле. Детально исследовано демультиплексирование двух сигналов. Предложенный способ может быть использован для любых волн, некоррелированных как в пространстве, так и во времени.
Обработаны и систематизированы результаты экспериментального исследования параметрического волнового взаимодействия в схеме двойного обращения волнового фронта, проведенного с использованием фоторефрактивного кристалла BTO. Выявлена геометрия взаимодействия, при которой происходит подавление конической дифракции. Объяснен механизм параметрического взаимодействия световых волн. Оценено качество обращения волнового фронта.
Теоретически рассмотрен процесс четырехволнового взаимодействия в фоторефрактивных кристаллах, принадлежащих точечной группе симметрии 3m. Показана возможность наблюдения эффекта оптического переключения в данных кристаллах. Определены оптимальные условия для наблюдения эффекта в кристалле ниобата лития.
Исследованы условия формирования стационарных пространственных фоторефрактивных солитонов во внешнем переменном электрическом поле. Экспериментально доказано, что увеличение локального отклика кристалла приводит к увеличению степени самофокусировки луча. Экспериментально определены значения изменения показателя преломления в кристалле при различных значениях величины внешнего поля и глубины модуляции интенсивности самофокусирующегося луча. Определены необходимые требования к внешним параметрам, при которых возможно существование пространственных солитонов. Экспериментально наблюдалось формирование солитонного режима в фоторефрактивном кристалле ниобата бария-натрия. Показано, что для достижения солитонного режима необходимо увеличение показателя преломления на величину.
Предложен новый метод эффективного (до 100%) адиабатического преобразования накачки во вторую гармонику за счет плавного изменения волновой расстройки от больших отрицательных до больших положительных значений. Это позволяет избежать параметрической неустойчивости второй гармоники, присущей точному синхронизму.
Введено понятие полярной асимметрии светового поля, характеризуемой, в частности, средним по времени значением куба поля при. Дана интерпретация наведенной генерации второй гармоники в исходно аморфном кварцевом волокне (эффект Остерберга – Маргулиса) в терминах голографической записи интерференционной картины.
Предсказана и рассчитана пондеромоторная сила, пропорциональная градиенту среднего куба поля, действующая на свободную заряженную частицу. Предложено ускорение элементарных частиц за счет такой силы; отличительная особенность схемы состоит в использовании квазимонохроматических импульсов света, фокусируемых в вакууме.
Построена теоретическая модель полярной асимметрии углового распределения вылета фотоэлектронов при ионизации атомов и молекул под действием бихроматического светового поля, представляющего собой когерентную суперпозицию поля основной частоты и ее второй гармоники.
Полярная асимметрия углового распределения электронов исследована теоретически при различных режимах фотоионизации: когда потенциал ионизации I удовлетворяет условию; для случая, когда, сформулирован единый подход, из которого следуют два предельных случая – туннельной ионизации (согласно классификации Келдыша отвечающий условию) и многофотонной ионизации (когда). Для режима туннельной ионизации предсказана полярная асимметрия остаточной скорости электрона.
В рамках теоретической модели найдена фаза слагаемого, интерференционного между одно- и двухфотонным процессами ионизации в зависимости от превышения частоты поля над порогом ионизации, поляризации волн и от квантово-механической фазы рассеяния. При небольшом превышении частоты света над порогом ионизации фаза рассеяния может быть выражена через величину квантового дефекта, получаемую из спектроскопических данных о ридберговских уровнях. Предсказания о полярной асимметрии вылета электронов подтверждены в экспериментах по наблюдению фотоионизации с поверхности фотокатода и парах натрия. Подтверждено также различие фаз интерференционных слагаемых для разных поляризаций бихроматического излучения в соответствии с представлением о роли квантово-механических фаз рассеяния.
Предложен и экспериментально реализован новый способ считывания-голограмм в объемных стеклах, позволяющий избежать влияния считывающего излучения на записываемую голограмму. Предложенный метод может быть использован для непрерывного контроля уровня записи-голограмм и регистрации голограмм с малым временем жизни.
Экспериментально исследован механизм двух одновременных процессов: считывания и записи голограмм в нецентросимметричной объемной среде. Теоретически исследован процесс взаимодействия волны и ее третьей гармоники, продемонстрирована возможность использования данного взаимодействия для оптического переключения.
Обнаружена и исследована генерация второй гармоники в свинцово-фосфатных стеклах. Исследована зависимость скорости роста и стирания-голограмм от состава стекла. Осуществлена запись голограмм одиночным импульсом с последующим многократным считыванием.
Совместно с ГОИ имени С.И. Вавилова проведен целенаправленный поиск стекол для генерации второй гармоники. В свинцово-фосфатном стекле с церием достигнута эффективность генерации второй гармоники, в полтора раза превышающая наблюдаемую ранее в центро-симметричных средах.
Экспериментально исследовано влияние содержания оксидов свинца и церия на эффективность, скорость роста и исчезновения фотоиндуцированной генерации второй гармоники в свинцово-фосфатных стеклах. Наблюдалось увеличение эффективности генерации с ростом концентрации оксида свинца до 40 мол. %. Показано, что введение в свинцовофосфатное стекло оксида церия также приводит к значительному увеличению эффективности генерации второй гармоники. Скорость записи и стирания наведенной квадратичной нелинейности увеличивается с ростом концентрации оксида свинца, но уменьшается с увеличением концентрации оксида церия.
Экспериментально исследована зависимость скорости распада фотоиндуцированной второй гармоники в свинцово-фосфатном стекле с оксидом бария от температуры и уровня наведенной квадратичной нелинейности. Обнаружен неэкспоненциальный распад наведенной нелинейности, что позволяет судить о зависимости электропроводности стекла от напряженности электрического поля в нем. В этих же стеклах в лаборатории высоковольтных измерений ГОИ проведено измерение электропроводности и обнаружена зависимость электропроводности от величины приложенного электрического поля. Эти результаты подтверждают связь распада наведенной квадратичной нелинейности с электропроводностью стекол, что позволяет определять электропроводность стекол при различных температурах по температурной зависимости скорости распада наведенной квадратичной нелинейности.
Показано, что по температурной зависимости скорости распада можно определять электропроводность стекол при различных температурах.
Экспериментально исследована эффективность фотоиндуцированной генерации второй гармоники в свинцово-фосфатных стеклах. Достигнутая эффективность преобразования во вторую гармонику сравнима с наблюдаемой в свинцово-силикатных стеклах, обнаружено, что оптическая стойкость свинцово-фосфатных стекол существенно превышает оптическую стойкость свинцово-силикатных стекол.
Предложена модель записи голограмм квадратичной поляризуемости в стеклянных оптических волокнах. В рамках представленной модели температурные зависимости голограмм квадратичной поляризуемости, а также отличие в относительной величине составляющих тензора квадратичной поляризуемости при записи голограмм волнами с параллельными и перпендикулярными поляpизациями, объясняются рассеянием заряда на наведенных диполях.
Разработана методика определения кубической нелинейной восприимчивости стекол по эффективности генерации третьей гармоники на границе раздела «стекло – воздух». Проведено исследование зависимости величины кубической нелинейной восприимчивости свинцово-фосфатных стекол от концентрации оксида свинца. Обнаружено экспериментально, что кубическая нелинейная восприимчивость свинцово-фосфатных стекол монотонно возрастает с ростом концентрации оксида свинца.
Экспериментально исследована зависимость от температуры распада нелинейности в церийсодержащих свинцово-фосфатных стеклах. Определена энергия активации заряда. Измерена кубическая нелинейность свинцово-фосфатных стекол методом генерации третьей гармоники.
Проведено исследование влияния температуры в диапазоне от 20 до 100°С на динамические свойства голограмм в свинцово-фосфатных стеклах и исследование возможности генерации второй гармоники во внешнем постоянном электрическом поле до 10 кВ/см в свинцово-фосфатных стеклах. Экспериментально доказано, что увеличение температуры приводит к уменьшению характерного времени жизни голограмм, показано, что основными носителями заряда являются электроны, исследуемые материалы проявляют свойства полупроводников, а изменение температуры позволяет управлять свойствами голограмм. Оказалось, что приложение внешнего постоянного электрического поля величиной до 10 кВ/см в свинцово-фосфатных стеклах не приводит к генерации второй гармоники.
Экспериментально продемонстрирована возможность фотоиндуцированной генерации второй гармоники в бессвинцовых метафосфатных стеклах. Показано, что легирование метафосфата кальция оксидом церия увеличивает эффективность генерации. Показано, что время распада фотоиндуцированной оптической нелинейности в бессвинцовых стеклах значительно больше.
Теоретически рассмотрена динамика трехволнового смешения в среде с квадратичной нелинейностью как с учетом так и без учета само- и кроссмодуляции. Найдены нелинейные собственные моды, их бифуркации и неустойчивости, показано, что неустойчивости могут приводить к резким изменениям межмодового взаимодействия.
На основе гамильтонова представления волновых уравнений исследовано влияние соотношения интенсивностей двух волн на входе в нелинейную среду на их интенсивности при выходе из среды. Результаты могут быть использованы для создания оптических переключателей света.
Развита теория двухволнового смешения в кубичных фоторефрактивных кристаллах на вещественной константе связи. Получены и проанализированы все типы аналитических решений при произвольных начальных условиях в случае фазового синхронизма. Продемонстрирована возможность использования кубических фоторефрактивных кристаллов в оптических переключающих устройствах.
Рассмотрен вопрос распространения волн основной, стоксовой и антистоксовой частот в одномодовом волокне с двулучепреломлением при различных значениях волновой расстройки между волновыми векторами световых волн. Изучены условия для максимального энергообмена из волны основной частоты в стоксовую и антистоксовые волны. Изучен вопрос влияния небольшого изменения начальной разности фаз (порядка сотых долей радиана) волны основной частоты на выходное распределение полной мощности между световыми волнами.
Рассмотрена схема попутного четырехволнового взаимодействия вырожденных по частоте световых волн в нематическом жидком кристалле на тепловой нелинейности. Получены все типы аналитических решений исходных уравнений, описывающих данный процесс. На основе полученных решений изучены различные возможности влияния начальных условий (начальное изменение полной мощности, угла падения световых волн, поляризации одной из волн) на выходные характеристики. Представлены численные оценки для наблюдения предсказанных эффектов.
На основе гамильтонова представления системы уравнений, описывающих двухволновое смешение волны основной частоты и ее второй гармоники в кристаллах с периодической модуляцией квадратичной восприимчивости, получены все типы аналитических решений данной системы. Предсказан эффект резкого изменения интенсивности второй гармоники на выходе из среды при незначительном изменении разности фаз на входе в среду (эффект оптического транзистора) и определены условия, при которых эффект может наблюдаться.
Проведено исследование зависимости процесса разрушения прозрачных диэлектриков короткими световыми импульсами от длительности импульса. Обнаружено, что в диапазоне от 100 пикосекунд до 120 микросекунд морфология разрушений практически не зависит от длительности световых импульсов, однако при использовании импульсов пикосекунд наблюдается узкий канал, возникающий при распространении светодетонационной волны. Исследованы особенности оптико-механического способа сверления отверстий в прозрачных диэлектрических средах. Обнаружено, что при данном методе сверления снимается ограничение по длительности лазерного импульса.
Исследована фотоиндуцированная проводимость и ее динамика в нематическом жидком кристалле 5 СВ. Определены оптимальные марки и концентрации красителей для получения максимальных значений фотопроводимости. Обнаружено, что величина эффекта увеличивается при приближении используемой длины волны лазерного излучения к длине волны накачки красителя. Полученные результаты качественно совпадают с теоретическими оценками данного эффекта.
Экспериментально и теоретически рассмотрена возможность формирования светового «зайчика», движущегося в вакууме с произвольной скоростью. С этой целью исследовалось спектральное разложение светового пучка на дифракционной решетке. Экспериментально обнаружен наклон слоев когерентности относительно плоскостей постоянной фазы при дифракции на решетке. Теоретически показано, что выбором параметров оптической схемы скорость светового «зайчика» может быть сделана любой: меньше, больше или равной скорости света. Полученные результаты могут быть использованы при создании оптических систем для ускорения заряженных частиц.
С целью создания нового класса лазерных пучков для манипуляции микрочастицами теоретически и экспериментально исследованы фокусирующие свойства «цепочно-образного» пучка, возникающего при дифракции лазерного излучения на бинарной амплитудной маске. Обнаружено, что изменение параметров гауссова пучка приводит к изменению размеров фокальных пятен, глубины фокуса и интенсивности в фокусах, но не влияет на положение фокуса.
С целью получения полимерных матриц трехмерных фотонных кристаллов применен метод голографической литографии. Впервые продемонстрирована возможность записи решетки в фоторезисте SU-8 при помощи непрерывного лазера, работающего в видимой области спектра (гелий-кадмиевого лазера на длине волны 442 нанометра), получены трехмерные решетки «материал – воздух». Обнаружено, что при определенных параметрах обработки фоторезиста возможно получение решетки, сам материал которой обладает субмикронной (нано-) пористостью.
С целью синтеза фотонных кристаллов методом голографической литографии, обладающих запрещенной зоной в видимой и ближней инфракрасной областях спектра, проведено теоретическое исследование различных схем интерференции. Найдена схема интерференции, соответствующая решетке ГЦК, которая, согласно расчетам, имеет запрещенную зону начиная с контраста показателя преломления 2,5, и схема интерференции, дающая решетку симметрии алмаза, для которой пороговый показатель преломления составил 1,9.
В результате синтеза фотонных кристаллов методом голографической литографии экспериментально обнаружена закономерность, состоящая в том, что при уменьшении периода решетки происходит залипание пор структуры. Данное явление объяснено механизмом полимеризации, намечены пути решения данной проблемы при помощи изменения химического состава фоторезиста.
Рассчитана зонная структура решеток, которые могут быть синтезированы методом трехкратного экспонирования фоторезиста двухволновой интерференцией. В частности, рассчитаны зонные структуры, соответствующие простой кубической, гранецентрированной кубической и объемно-центрированной кубической решеткам. Получены оптимальные значения фактора заполнения пространства материалом, то есть требуемая плотность энергии при известном пороге полимеризации. Осуществлена запись ГЦК-подобной решетки методом трехкратного экспонирования двухволновой интерференцией.
Найдена геометрия интерференции, соответствующая синтезу решетки фоторезиста, имеющей симметрию решетки алмаза. Запись должна осуществляться четырехкратным экспонированием фоторезиста картиной двухволновой интерференции. Рассчитана зонная структура такой решетки. Порог показателя преломления для возникновения запрещенной зоны оказался равным 2,0.
Экспериментально реализована запись голограмм в фоторезисте SU-8 при помощи гелий-кадмиевого лазера на длине волны, соответствующей области низкого поглощения фоторезиста. Это позволило добиться однородности засветки фоторезиста по глубине и, в перспективе, может позволить синтезировать решетки, толщина которых будет существенно превышать существующие пределы.
Теоретически исследовано поведение запрещенных зон в фотонных кристаллах, которые могут быть получены методом трехкратного экспонирования интерференционной картины при изменении угла, образованного биссектрисой угла между интерферирующими волнами и нормалью к поверхности фоторезиста. Показано, что вопреки распространенному утверждению, для данного способа формирования фотонных кристаллов ГЦК-решетка не является оптимальным типом решетки с точки зрения величины запрещенной зоны. Определена оптимальная величина угла, которая позволяет сформировать деформированную ГЦК решетку с запрещенной зоной, превышающей запрещенную зону ГЦК-решетки.
Исследована зонная структура фотонных квазикристаллов различной симметрии. Рассмотрено поведение запрещенных зон при различных размерах ячейки аппроксимантов квазикристалла. Определены размеры аппроксимантов, при которых их запрещенная зона с достаточной точностью соответствует запрещенной зоне соответствующего квазикристалла.
Теоретически исследован способ оптимизации структуры двухмерного фотонного кристалла для увеличения запрещенной зоны. Данным способом получено увеличение запрещенной зоны в 1,5 раза при неоптимальной стартовой конфигурации фотонного кристалла. Полученная структура имеет размер запрещенной зоны, сопоставимый с рекордным значением, полученным другими группами исследователей с помощью принципиально иных методов оптимизации. Отличие данного подхода к оптимизации структуры состоит в том, что, в принципе, он может быть модифицирован для оптимизации трехмерных решеток без многократного увеличения времени вычислений.
Осуществлена запись двухмерной решетки в фоторезисте SU-8 при помощи полупроводникового лазера с малой длиной когерентности с длиной волны 410 нанометров. Данная запись выполнена при помощи отображения картины дифракции на плоской дифракционной решетке на поверхность фоторезиста.
Исследованы методы расчета фотонных квазикристаллических структур. Для анализа был выбран метод суперъячейки, рассматривалась периодическая структура с большой элементарной ячейкой, соответствующей квазикристаллу. В результате анализа зонной структуры кристаллов, элементарная ячейка которых содержит большое число «атомов», было обнаружено, что фотонные запрещенные зоны таких структур обладают большей изотропностью.
Исследована зонная структура решетки BC8, полученной методом псевдопотенциала и содержащей 8 атомов в примитивной ячейке, в зонной структуре обнаружены запрещенные зоны. Запрещенная зона также обнаружена для решетки, являющейся аппроксимантом квазикристалла с додекаэдрической симметрией. Проведено исследование поведения изотропности запрещенных зон в зависимости от диэлектрической постоянной. Во всех исследованных структурах порог возникновения запрещенной зоны по контрасту диэлектрической постоянной превышал таковой для решетки с симметрией алмаза.
Теоретически были исследованы аппроксиманты фотонных кристаллов, которые могут быть получены методом интерференционной литографии. В отличие от трехмерного случая обеспечено понижение порога возникновения запрещенной зоны по сравнению с лучшими периодическими решетками.
Показана возможность записи решетки при помощи излучения с длиной волны, соответствующей области малого поглощения фоторезиста. Проанализировано влияние на процесс ввода в трехмерную полимерную решетку нематического жидкого кристалла различных условий, таких как тип сурфактанта, время и температура ввода жидкого кристалла в поры, период и тип решетки. Найдены условия ввода жидкого кристалла, обеспечивающие заполнение пористой структуры с периодом 3 микрометра. Рассмотрены различные типы наночастиц в качестве легирующей примеси для фоторезиста. Обнаружено, что рассмотренные типы наночастиц имеют слишком большую тенденцию к образованию коагулятов, что приводит к высокому уровню рассеяния и делает невозможным использование метода интерференционной литографии.
Впервые рассчитана зонная структура фотонного кристалла с симметрией решетки клатрата Si34, содержащего 34 узла в примитивной ячейке (диэлектрические шары, соединенные диэлектрическими стержнями, в вакууме). Обнаружена полная фотонная запрещенная зона между 34-й и 35-й зонами. Порог возникновения по диэлектрической постоянной оказался равным 5. Исследованная структура имеет самую изотропную запрещенную зону среди всех известных структур. При факторе заполнения=27% и диэлектрической постоянной =12 для «нижней» зоны фактор изотропности =0.022, а для «верхней» зоны=0.056, и они уменьшаются с ростом диэлектрической постоянной среды.
Разработан алгоритм оптимизации структуры решетки фотонного кристалла на основе генетического алгоритма. Получены оптимальные конфигурации для случая двух и трех узлов решетки в элементарной ячейке трансляции.
Исследована зонная структура фотонных квазикристаллов на основе икосаэдра. Обнаружены запрещенные зоны. Порог существования запрещенной зоны по показателю преломления оказался выше (2,4), чем у лучших периодических структур (2,0).
Экспериментально исследован способ повышения показателя преломления у фоторезиста за счет ввода в фоторезист наночастиц с высоким показателем преломления. Обнаружен слишком высокий уровень агрегации наночастиц в полученном фоторезисте, который не позволил использовать их для формирования решеток при помощи метода интерференционной литографии.
Теоретически исследован одномерный фотонный кристалл, состоящий из композита «диэлектрик – металлические наночастицы». Обнаружено расщепление фотонной запрещенной зоны на поляритонную и структурную зоны. Исследовано поведение этих зон в зависимости от периода структуры и концентрации наночастиц.
Экспериментально исследован способ получения композита, состоящего из наночастиц диоксида титана и фотополимера. Полученный состав имеет большой уровень рассеяния света, обусловленный агрегацией наночастиц. Данное свойство полученных композитов не позволило использовать их для формирования решеток при помощи метода интерференционной литографии.
Экспериментально обнаружен поворот спекл-картины света в слабонавитом многомодовом оптическом волокне (оптическом волокне спиральной формы, радиус сердцевины которого много меньше радиуса спирали). Показано, что угол поворота в радианах численно равен углу, который на единичной сфере вырезает касательная к спирали, и не зависит от модового состава света, распространяющегося по волокну, а также состояния поляризации света на входе в волокно.
В кристалле ниобата бария-натрия экспериментально обнаружено взаимодействие распространяющихся навстречу друг другу световых пучков в режиме формирования солитона. Показано, что взаимодействие проявляется в отталкивании траекторий солитонов и носит периодический характер с периодом примерно 12 минут. Временной масштаб взаимодействия связан как со свойствами конкретного кристалла ниобата бария-натрия, так и свойствами излучения.
Исследована дифракция Бесселева пучка на зонной пластинке с двумя открытыми зонами. Обнаружено формирование светового поля, интенсивность которого в продольной плоскости сечения, содержащей ось пучка, имеет ячеистую структуру с минимальной и максимальной интенсивностью. Вдоль оси симметрии сформировавшегося пучка наблюдается область низкой интенсивности, поперечный размер которой периодически уменьшается и увеличивается. Поперечное сечение пучка имеет кольцевую структуру с периодически изменяющейся интенсивностью.
Разработан метод генерации цепочно-образного пучка с фазовой сингулярностью. В основе метода лежит дифракция пучка Бесселя первого порядка на зонной пластинке с двумя открытыми нечетными зонами Френеля. На основе численного моделирования продемонстрировано влияние параметров пучка Бесселя и зонной пластинки на свойства пучка и определены оптимальные условия для экспериментальной генерации пучка.
Экспериментально показано, что в результате дифракции пучка Бесселя первого порядка на зонной пластинке с открытыми первой и девятой зонами Френеля формируется световое поле, интенсивность которого имеет капсульную структуру с областями минимальной и максимальной интенсивности. Вдоль оси симметрии сформировавшегося пучка наблюдается область низкой интенсивности, поперечный размер которой периодически уменьшается и увеличивается, экспериментально доказано, что в этой области формируется дислокация волнового фронта (фазовая сингулярность).
Теоретически – на основе обобщенной теоремы Джонса – и экспериментально показана принципиальная возможность формирования за счет многолучевой интерференции когерентного излучения эффективной циркулярной амплитудной анизотропии в составных двулучепреломляющих системах. Экспериментально показано, что в случае слюды коэффициент эффективной циркулярной амплитудной анизотропии может достигать величины 4·10-2 на длине волны λ = 0,63 микрометра.
Разработана методика создания световых пучков с поляризационными особенностями. Предложен и теоретически обоснован волоконно-оптический интерференционный метод создания световых пучков с неоднородным по сечению пучка состоянием поляризации. Показано, что эллиптичность излучения в каждой точке сечения определяется соотношением интенсивности излучения, выходящего из разных плеч волоконно-оптического интерферометра, а наклон большой оси эллипса зависит от разности фаз излучения, выходящего из разных плеч волоконно-оптического интерферометра.
Предложена модель взаимодействия спинового и орбитального моментов фотона для пучков с неоднородными поляризационными характеристиками. Экспериментально продемонстрирована возможность преобразования светового пучка с нулевым орбитальным моментом и спиновым моменто
Определена фазовая структура полого цепочно-образного пучка с дислокацией волнового фронта. Экспериментально и на основе компьютерного моделирования показано, что волновой фронт полого цепочно-образного пучка с дислокацией волнового фронта имеет сложную структуру, отличную от однородной спирали. Для разных колец поверхность постоянной фазы имеет положительную и отрицательную кривизну. Угол наклона волнового фронта относительно плоскости поперечного сечения пучка для разных колец имеет разную величину, которая сохраняется для кольца при распространении, но уменьшается при удалении колец от центра пучка. Азимутальная составляющая вектора Пойнтинга для разных колец имеет разную величину, которая сохраняется для одного кольца при распространении и уменьшается при удалении колец от центра пучка.
Экспериментально реализован волоконно-интерференционный метод получения световых пучков с неаксиально-симметричным распределением состояния поляризации в поперечном сечении. На основе волоконно-интерференционного метода экспериментально показано, что при интерференционном сложении трех пучков, имеющих различные ненулевые спиновые и орбитальные моменты, можно получить световой пучок с неаксиально-симметричным распределением состояния поляризации в поперечном сечении пучка, причем диапазон изменения эллиптичности поляризации в поперечном сечении результирующего пучка зависит от отношения интенсивностей интерферирующих пучков, а угол ориентации большой оси эллипсов поляризации зависит от разности фаз интерферирующих пучков.
Предложен и экспериментально продемонстрирован новый способ получения изображения с разрешением, превышающим дифракционный предел микроскопа. Разрешающая способность метода ограничена только размерами используемых наночастиц (до 10 нанометров). При помощи регистрации картины свободного движения наночастиц над поверхностью образца и анализа интенсивности света, рассеиваемого частицами, достигнуто разрешение 96 нанометров для объектива с числовой апертурой 0,4, что превышает теоретический предел разрешения используемого микроскопа более чем в шесть раз.
Предложен и реализован экспериментально метод получения световых пучков с хиральным (спиральным) распределением интенсивности в направлении распространения. Метод основан на интерференции пучка Бесселя – Гаусса первого порядка и пучка Гаусса, которые распространяются в одном направлении. На основе численного моделирования получены зависимости параметров хиральной световой структуры, а именно длины спирали и шага спирали, от параметров пучка Бесселя – Гаусса и пучка Гаусса. Экспериментально хиральные световые пучки получены на длине волны гелий-кадмиевого лазера 0,44 микрометра с шагом спирали от 5 до 100 миллиметров.
На основе интерпретации эффектов спин-орбитального взаимодействия света как попарного взаимовлияния трех типов углового момента света, а именно спинового углового момента, внешнего орбитального углового момента и внутреннего орбитального углового момента, предложена классификация эффектов спин-орбитального взаимодействия света.
В рамках предложенной классификации предсказана возможность существования трех новых эффектов, которые определяются совместным влиянием двух типов углового момента на третий тип.
Один из предсказанных эффектов, а именно влияние спинового углового момента и внешнего орбитального углового момента на внутренний орбитальный угловой момент, экспериментально обнаружен.
Эффект наблюдается при распространении циркулярно поляризованного света через многомодовое волокно, скрученное в спираль. Экспериментально обнаружено влияние знака циркулярной поляризации (спинового углового момента) и параметров спирали (внешний орбитальный угловой момент) на пространственную структуру (внутренний орбитальный угловой момент) светового поля. Обнаружено, что структура светового поля вращается при изменении знака циркулярной поляризации и угол поворота зависит от параметров спирали.
Разработан и экспериментально реализован метод определения эллиптичности когерентного поляризованного света, обеспечивающий высокую точность в любом наперед заданном диапазоне эллиптичностей. Основной особенностью метода является использование компенсатора с задержкой, обеспечивающей максимальную точность в выбранном диапазоне эллиптичностей, а также учет многолучевой интерференции. Экспериментально метод реализован в диапазоне эллиптичностей и с точностью, превышающей 2%.
На основе численного моделирования и экспериментального исследования рассмотрена дифракция на краю экрана сфокусированного пучка Гаусса в окрестности области перетяжки. Моделирование распространения пучка Гаусса проводилось на основе решения уравнения Гельмгольца спектральным методом. Экспериментально исследовалась дифракция когерентного лазерного излучения на длине волны 0,63 микрометра на краю прямоугольного экрана, перекрывающего половину пучка в поперечном направлении. Фокальная перетяжка формировалась с помощью линзы с фокусным расстоянием 4 сантиметра. Была обнаружена зависимость картины дифракции от положения экрана относительно положения фокальной перетяжки. Оказалось, что если экран расположен на расстояниях меньше фокусного, то дифракционная картина наблюдается в области тени и представляет собой полукруг с дифракционными полосами. Если экран помещен в область перетяжки, то дифракционная картина становится симметричной относительно края экрана. Перемещение экрана на расстояние 20 микрометров в любую сторону от перетяжки нарушает симметрию. Если экран расположен на расстоянии большем фокусного расстояния, то дифракционная картина наблюдается в светлой области, при этом дифракционные полосы появляются уже с другой стороны. Полученные результаты могут быть использованы для точного определения положения перетяжки сфокусированных пучков Гаусса при разработке новых методов исследования свойств твердых тел.
На основе компьютерного моделирования детально исследовано распространение когерентного излучения, содержащего две спектральные компоненты, через систему фазосдвигающих пластинок с переменным и фиксированным фазовым сдвигом. Для разных длин волн определены диапазоны одновременного и независимого преобразования состояния поляризации. Для частного случая проведены экспериментальные исследования и продемонстрирована возможность при фиксированном заданном фазовом сдвиге на длине волны λ = 632,8 нанометра равным 180° на длине волны λ=488 нанометров варьировать фазовый сдвиг в диапазоне от 121° до 136°. Возможно использование для модификации методов поляриметрии и эллипсометрии.
Зарегистрированы спектры комбинационного рассеяния катодов, изготовленных из волокон углеродных нанотрубок (УНТ-нити), полиакрилонитрильных волокон (ПАН-волокна), пиролитического графита (ПГ) и мелкозернистого плотного графита (МПГ-6) до и после работы в автоэмиссионных катодолюминесцентных лампах. Определены параметры основных линий G, D и D’, а именно частота, ширина и относительная интегральная интенсивность в спектральном диапазоне от 1000 до 2000 см-1. Обнаружено, что работа в качестве катода в разной степени влияет практически на все параметры линий в исследуемом диапазоне. На основе сравнения с литературными данными удалось обнаружить 20%-ное увеличение размеров зерна в МПГ-6 после работы в автоэмиссионной катодолюминесцентной лампе. Предполагается использовать для оптимизации работы автоэмиссионных катодолюминесцентных ламп и увеличения их срока службы.