Динамика оптических импульсов при брэгговской дифракции в геометрии ЛАУЭ в линейных и нелинейных фотонных кристаллах

• Автор: Скорынин, Александр Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 148 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Динамическая дифракция электромагнитного излучения в периодических структурах
Глава 2. Динамическая дифракция оптического излучения в геометрии Лауэ в линейных фотонных кристаллах
2.1. Теория динамической брэгговской дифракции оптического излучения в линейном ФК в геометрии Лауэ
2.2. Дифракционное деление импульсов пакетов в ФК при брэгговской дифракции в геометрии Лауэ
2.3. Дисперсионные характеристики эффекта дифракционного деления
Глава 3. Управление параметрами импульсов и пучков при брэгговской дифракции в геометрии Лауэ в линейных фотонных кристаллах
3.1. Поляризационная чувствительность эффекта ДДИ
3.2. Селективная компрессия и фокусировка фазомодулированных импульсов
3.3. Сравнение теоретических и экспериментальных данных по эффекту ДДИ
Глава 4. Нелинейный эффект ДДИ и пространственная динамика лазерных импульсов и пучков при дифракции в геометрии Лауэ.
4.1. Маятниковый эффект в ФК. Переключение направления распространения излучения
4.2. Пространственное деление пучков и импульсов при динамической дифракции в ФК
4.3. Брэгговская дифракция в нелинейных ФК
Заключение
Список литературы
Введение
Актуальность работы
В настоящее время все большее значение в науке и технике приобретает использование коротких импульсов лазерного оптического излучения. Такие сигналы используются для передачи и обработки информации, для исследования и модификации материалов. Поиск новых методов генерации и управления параметрами коротких лазерных импульсов является актуальной задачей. Одним из наиболее перспективных направлений её решения является исследование оптических явлений, возникающих при брэгговской дифракции излучения в периодических структурах.
С момента появления искусственных одно-, двух- и трехмерных структур с периодом модуляции оптических свойств порядка длины волны видимого света — фотонных кристаллов (ФК), наиболее широко экспериментально и теоретически были исследованы задачи, связанные с брэгговской дифракцией на отражение (геометрия Брэгга). Отличительной чертой этой геометрии дифракции в ФК является наличие особой спектральной области - фотонной запрещенной зоны (ФЗЗ), в которой падающее излучение эффективно отражается, проникая в структуру на относительно малую глубину. За счет решеточной дисперсии, вызванной дифракцией на периодической структуре, внутри ФЗЗ и в её окрестностях, наблюдается ряд линейных и нелинейных эффектов, которые были хорошо изучены и в настоящее время нашли практическое применение.
Кроме геометрии Брэгга, при описании распространения излучения в
периодических структурах выделяют схему на прохождение (геометрия
Лауэ). В этой геометрии отсутствует ФЗЗ - падающее излучение даже в
спектральной области наиболее сильной решеточной дисперсии
распространяется сквозь структуру. Динамическая дифракция в этой
геометрии приводит к возникновению маятникового эффекта,

заключающегося в периодической перекачке энергии проходящих и дифрагированных волн с расстоянием. По сравнению с геометрией Брэгга, теоретическим и экспериментальным исследованиям брэгговской дифракции оптического излучения в ФК в геометрии Лауэ уделялось значительно меньше внимания. Преимущественно рассматривались структуры с толщиной не более нескольких периодов маятникового эффекта: тонкие структуры с большой величиной модуляции показателя преломления и протяженные структуры с малой величиной модуляции. Это может быть связано с технологической сложностью изготовления ФК, обладающих высоким контрастом показателя преломления и большими пространственными размерами, а также ограниченностью существующих подходов к описанию распространения оптического излучения в таких структурах.
Динамика излучения при линейной дифракции в геометрии Лауэ рассматривалась в ФК с малой величиной модуляции показателя преломления, где были обнаружены маятниковый эффект [1], компрессия чирпированного импульса [2] и модуляция его профиля [3]. В тонких ФК с большой величиной модуляции была исследована локализация поля излучения, показаны наличие маятникового эффекта и возможность управления направлением распространения импульсов [4,5]. В работе [6] был теоретически предсказан эффект дифракционного деления пространственно неограниченного импульса при дифракции в геометрии Лауэ в нелинейном ФК, в виде брэгговской решетки из тонких слоев резонансных примесей. Наличие этого эффекта дифракционного деления импульса (ДДИ) для случая линейного ФК было предсказано в работе [7], в которой была предложена динамическая теория дифракции имеющая ряд ограничений, в частности, она не позволяла определить возможность экспериментального наблюдения эффекта и ограничивалась рассмотрением только э-поляризованного падающего излучения.

бесконечного набора слагаемых с одинаковыми фазовыми множителями
Пусть вторым слагаемым в (2.14) можно пренебречь (например, в случае ^-поляризованного излучения), тогда связь между амплитудами блоховских волн имеет вид
Как видно из (2.15) амплитуды волн, для которых ~ Хо^2 ■> будут
значительно больше всех остальных. Случай, когда существует одна «сильная» волна, соответствует среде в отсутствии динамической дифракции и не представляет интерес.
Остановимся более подробно на двухволновым приближением, когда в структуре распространяются две «сильные» волны, а вкладом всех остальных можно пренебречь.
2.1.3. Граничные условия для двухволновой задачи дифракции
В двухволновом приближении в разложении (2.13) оставляют только два слагаемых, соответствующих проходящей волне с волновым вектором (]0 и дифрагированной с = ц0 + И, поэтому (2.13) принимает вид
ехр(щяг):
(2.14)
(2.15)
аГ(г,0 = ехр(-/бД)[Н0 ехр(/ц0г) + Нл ехр(щАг)].
(2.16)
Аналогичное выражение может быть записано для полей 8иЭ. Подставим (2.16) в (2.9) и получим
-(*о, +^)Но +^22ГоНо +/У_Аея xqh х Н„ = 0,
(2.17)
-((Яох ~к)г + £)Н/, + ^оН/, + к2ХиН0 + 4е* хЧо хНо = 0;