Нелокальность оптического отклика атомарных газов, одномерных фотонных кристаллов и тонких металлических пленок

• Автор: Козлов, Александр Борисович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с.

Глава 1. Обзор эффектов нелокальности оптического отклика

1.1 Атомарные газы

1.2 Одномерные фотонные кристаллы

1.3 Сверхтонкие металлические пленки

Глава 2. Влияние пространственной неоднородности поля

на нелинейно-оптический отклик атома

2.1 Уравнения для атомного отклика

2.1.1 Общие уравнения

2.1.2 Двухуровневое приближение

2.1.3 Обобщение двухуровневой модели атома

2.2 Теория возмущений для атомного отклика

2.3 Атомный отклик на сверхсильиое лазерное поле
2.4 Угловые спектры поля отклика среды двухуровневых атомов
Глава 3. Генерация суммарной частоты и возбуждение
волноводных мод в одномерных фотонных кристаллах с изотропными слоями
3.1 Методика расчета поля внутри фотонного кристалла
3.2 Параметры и свойства фотонного кристалла
3.3 Генерация суммарной частоты в одномерном фотонном кристалле
3.3.1 Поверхностный вклад в генерацию суммарной частоты
3.3.2 Объемный вклад в генерацию суммарной частоты
3.3.3 Генерация суммарной частоты при неколлинеарной
геометрии взаимодействия волн
3.4 Возбуждение волноводных мод в одномерном фотонном кристалле

3.4.1 Условия необходимые для возбуждения волноводных мод
3.4.2 Волноводные моды в многослойной структуре
3.4.3 Возбуждение волноводных мод в процессе четырехволнового смешения
Глава 4. Самосогласованная теория линейно - оптического отклика
сверхтонких металлических пленок
4.1 Модель однородного положительного фона
4.2 Линейно-оптический отклик
4.2.1 Выражения для плотностей заряда и тока
4.2.2 Самосогласованные уравнения
4.2.3 s-поляризованное электромагнитное поле
4.3 Частоты коллективных возбуждений
4.3.1 Продольные коллективные возбуждения
4.3.2 Поперечные коллективные возбуждения
4.3.3 Предельный переход к трехмерному электронному газу
4.4 Спектры отражения, прохождения и поглощения
4.5 Распределение поля внутри металлической пленки
4.6 Угловые зависимости оптического отклика
4.6.1 Поперечные коллективные возбуждения
4.6.2 Продольные коллективные возбуждения
Заключение
Приложение
Список литературы
Актуальность проблемы
В последние годы большой интерес вызывают исследования нелинейно-оптических эффектов в изотропных средах, запрещенных свойствами симметрии среды. К таким эффектам относится, например, генерация “запрещенной” второй гармоники в атомарных газах.
Известно, что в изотропных средах генерация второй гармоники запрещена в элек-тродипольном приближении. Генерация второй гармоники также запрещена во всех порядках мультинольного разложения, если со средой центросимметричных атомов взаимодействует плоская электромагнитная волна. Тем не менее, генерация второй гармоники в таких средах все еще возможна за счет пространственно-нелокальных взаимодействий атомов среды с пространственно-неоднородным лазерным полем. Простейшим примером пространственно-неоднородного поля является суперпозиция двух плоских волн распространяющихся под углом друг к другу. Другим, совершенно естественным и часто встречающимся примером является жестко сфокусированный лазерный импульс.
О генерации второй гармоники в атомарных газах сообщалось в целом ряде работ. Для объяснения экспериментальных результатов было предложено несколько теоретических моделей. Среди недостатков этих моделей, следует отметить их стационарность во времени, а также справедливость лишь в полях умеренной интенсивности. Поэтому развитие теоретических моделей описывающих динамику пространственнонелокальных взаимодействий атомов с сильным лазерным полем является актуальной задачей.
Пространственно-неоднородные поля естественным образом возникают в одномерных фотонных кристаллах. Исследования оптических свойств фотонных кристаллов весьма актуальны сейчас с точки зрения различных технологических приложений. Отдельный интерес представляют собой исследования нелинейно-оптических процее-

рассматрипаемого слоя могут быть записаны в виде
££’(*)
Е{х1)(г)
Ті ехр(гкгг) + Т/?2 схі(і2кг(1 — ікгг)
1 — Я2 Л,' ехр(і2/гг(1) ’
Т2 ехр(г'А’2сі — г7сгг) + Т2Я[ ехр {ікгИ + ікгг) 1 — Я2Я ехр(і2кгсІ)
(З.бЬ)
(3.6а)
Здесь, г - относительная координата изменяющаяся от 0 до <7, а кг - нормальная компонента волнового вектора поля в рассматриваемом слое.
Коэффициенты отражения и прохождения произвольного фрагмента структуры могут быть вычислены с помощью рекуррентных соотношений. Пусть некоторый фрагмент многослойной структуры состоит из двух частей с известными коэффициентами отражения и прохождения Я{, Я{, Ть Т/ и Я2, Я^, Т2, Т2’. Тогда коэффициенты отражения и прохождения рассматриваемого фрагмента Я, Я', Т, Т' выражаются через известные коэффициенты следующим образом
В качестве фрагментов структуры могут рассматриваться любые объекты, например, кусок однородной среды или граница раздела между слоями. В последнем случае, коэффициенты отражения и преломления определяются из формул Френеля. Последовательное применение формул (3.7) позволяет вычислить коэффициенты отражения и прохождения для сколь угодно сложных структур, не прибегая при этом к прямому численному интегрированию уравнений для поля.
3.2 Параметры и свойства фотонного кристалла
Далее, ради определенности, мы будем рассматривать в этой главе генерацию суммарной частоты и возбуждение волноводных мод в одномерной периодической структуре состоящей из восьми слоев 7пЭ и семи слоев ЭгГг. Показатели преломления слоев ZnS и БгРг равняются соответственно щ — 2.29 и п2 = 1.46 при длине волны излучения А0 = 780 нм (31, 28]. Толщины слоев ф и <12 мы полагали в расчетах равными ЗАо/4п1
(3.7Ь)
(3.7а)
и ЗАо/4п2 соответственно. Нелинейно-оптические свойства многослойной структуры с