Іванісік Анатолій Іванович. Динаміка нелінійно-оптичних процесів у керівських рідинах

Краткое описание

Іванісік Анатолій Іванович. Назва дисертаційної роботи: "Динаміка нелінійно-оптичних процесів у керівських рідинах"

МІНІСТЕРСВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАІНИ
КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА
На правах рукопису
Іванісік Анатолій Іванович
УДК 535.375
ДИНАМІКА НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ У КЕРІВСЬКИХ
РІДИНАХ
01.04.05  оптика, лазерна фізика
Дисертація на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
Науковий консультант:
Коротков Павло Андрійович,
доктор фізико-математичних наук,
професор
Київ – 2015
2
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ 6
ВСТУП 11
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ОСНОВНИХ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ТА
ТЕОРЕТИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ НЕЛІНІЙНО-ОПТИЧНИХ ПРОЦЕСІВ
У КЕРІВСЬКИХ РІДИНАХ
1.1. Вимушене комбінаційне розсіювання 25
1.2. Самофокусування 29
1.3. Фазова самомодуляція 30
1.4. Висновки до Розділу 1 32
РОЗДІЛ 2. ЗАГАЛЬНИЙ ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ
УСТАНОВКИ ТА МЕТОДІВ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Джерела збуджуючого випромінювання 33
2.2. Реєструючі прилади 38
2.3. Основні методи досліджень 40
2.4. Висновки до Розділу 2 45
РОЗДІЛ 3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ТА ТЕОРЕТИЧНІ
ДОСЛІДЖЕННЯ ЕФЕКТУ САМОФОКУСУВАННЯ
3.1. Вплив групової швидкості на процес самофокусування у
наносекундному діапазоні лазерних імпульсів
46
3.2. Загальні співвідношення для швидкості фокальної точки
самофокусування
50
3.3. Теоретичні розрахунки стаціонарної залежності фокальної
відстані від потужності лазерного випромінювання
54
3.4. Методика експерименту вимірювання фокальної відстані
самофокусування
59
3.5. Результати експериментів вимірювання фокальної відстані
самофокусування
64
3.6. Розрахунки швидкості, прискорення та потужності 78
3
випромінювання для фокальної точки самофокусування
3.7. Експериментальні дослідження самофокусування у
двокюветних схемах
88
3.8. Інтенсивність світла на осі лазерного променя та довжина
фокальної області самофокусування
91
3.9. Оцінка енергетичної ефективності нелінійних оптичних
процесів уподовж траси лазерного імпульсу
94
3.10. Висновки до Розділу 3 95
РОЗДІЛ 4. ВПЛИВ РУХУ ФОКАЛЬНОЇ ОБЛАСТІ
САМОФОКУСУВАННЯ НА СПЕКТР ВИМУШЕНОГО
КОМБІНАЦІЙНОГО РОЗСІЮВАННЯ
4.1. Наближення заданої поляризації та частотно-кутовий розподіл
енергії розсіяного випромінювання у віддаленій зоні для випадку
широкосмугових спектрів
97
4.2. Наближення заданої поляризації та частотний розподіл енергії
розсіяного випромінювання у ближній зоні для випадку широкосмугових
спектрів
107
4.3. Загальні особливості формування спектрів випромінювання
рухомих центрів нелінійної поляризації у ближній зоні
111
4.4. Деталізація особливостей формування спектрів випромінювання
рухомих центрів нелінійної поляризації у ближній зоні
117
4.5. Частотно-кутові спектри антистоксового вимушеного
комбінаційного розсіювання з фокальних областей самофокусування у
віддаленій зоні
127
4.6. Висновки до Розділу 4 141
РОЗДІЛ 5. ФАЗОВА МОДУЛЯЦІЯ ЛАЗЕРНОГО
ВИПРОМІНЮВАННЯ У САМОФОКУСУЮЧИХ СЕРЕДОВИЩАХ
5.1. Теорія квазістаціонарної фазової самомодуляції лазерних
імпульсів у керівських рідинах
143
5.2. Теоретичний аналіз спектрів випромінювання перехідного типу 154
4
на межі середовище-вакуум в умовах фазової самомодуляції світлового
імпульсу за самофокусування
5.3. Експериментальне виявлення перехідного ефекту на межі
середовища за фазової самомодуляції лазерних імпульсів
наносекундного діапазону тривалостей
160
5.4. Енергетично-частотні характеристики випромінювання за
перехідного ефекту в самофокусуючих середовищах
168
5.5. Формування надкоротких оптичних імпульсів унаслідок
перехідного ефекту на межі самофокусуючого середовища
175
5.6. Фазова самомодуляція в шаруватих структурах 183
5.7. Висновки до Розділу 5 190
РОЗДІЛ 6. ВПЛИВ ФАЗОВОЇ САМОМОДУЛЯЦІЇ ЛАЗЕРНОГО
ВИПРОМІНЮВАННЯ НА СПЕКТР АНТИСТОКСОВОГО
ВИМУШЕНОГО КОМБІНАЦІЙНОГО РОЗСІЮВАННЯ
6.1. Вплив фазової самомодуляції імпульсів накачування на спектр
антистоксового вимушеного комбінаційного розсіювання світла з
фокальної ділянки
192
6.2. Спектральні закономірності антистоксового вимушеного
комбінаційного розсіювання з околу фокальної точки за фазової
самомодуляції
205
6.3. Фазомодульоване параметричне антистоксове вимушене
комбінаційне розсіювання на виході з самофокусуючого середовища
217
6.4. Інтерпретація антистоксового вимушеного комбінаційного
розсіювання черенковського типу
234
6.5. Висновки до Розділу 6 243
РОЗДІЛ 7. ВИМУШЕНЕ КОМБІНАЦІЙНЕ РОЗСІЮВАННЯ ЗА
МІНІМАЛЬНОЇ ФОКУСНОЇ ВІДСТАНІ САМОФОКУСУВАННЯ ТА
ВРАХУВАННЯ ДОДАТКОВИХ ФАКТОРІВ ВПЛИВУ НА СПЕКТР
ВИПРОМІНЮВАННЯ
7.1. Вплив релаксаційних осциляцій інтенсивності лазерного 244
5
випромінювання на частотно-кутову структуру вимушеного
комбінаційного розсіювання
7.2. Взаємний вплив фазової модуляції та релаксаційних осциляцій
інтенсивності на спектри вимушеного комбінаційного розсіювання
254
7.3. Ефект насичення інтенсивності вимушеного комбінаційного
розсіювання
262
7.4. Асиметрія індикатриси вимушеного комбінаційного
розсіювання світла в органічних самофокусуючих рідинах
268
7.5. Генерація та підсилення субнаносекундних імпульсів
вимушеного комбінаційного розсіювання у самофокусуючих органічних
речовинах
286
7.6. Залежність ефективності генерації стоксової компоненти
вимушеного комбінаційного розсіяння від поглинання та спектрально
складу випромінювання накачування
294
7.7. Вплив наночастинок благородних металів на ефективність
вимушеного комбінаційного розсіювання
303
7.8. Висновки до Розділу 7 314
ВИСНОВКИ 316

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Застосоване комплексне використання методів реєстрації частотних,
кутових, частотно-кутових, просторово-кутових, частотно-просторових
спектрів для досягнення загальної мети досліджень і порівняння з
теоретичними розрахунками. За допомогою цих методів загалом вирішена
проблема експериментальних досліджень динаміки самофокусування та її
впливу на частотно-кутові спектри ВКР уздовж траси проходження
збуджуючого лазерного імпульсу.
2. Узагальнено існуючі теоретичні та експериментальні результати, що
стосуються розташування, швидкості та прискорення фокальної точки
самофокусування лазерного випромінювання в керівських рідинах у
наносекундному діапазоні тривалостей лазерних імпульсів.
Врахований вплив групової швидкості лазерних імпульсів. Показано, що
швидкість фокальної точки змінюється від

до

у безінерційному
середовищі. Проте, на виході кювети швидкість фокальної точки близька до
групової швидкості світла (дещо перевищує групову швидкість на фронті
імпульсу та менша на спаді). За мінімальної відстані самофокусування
швидкість фокальної точки є нульовою. Прискорення фокальної точки на
виході довгих кювет може бути практично відсутнім, але за мінімальної
фокальної відстані набуває фіксованого позитивного значення.
Результати досліджень дають змогу прогнозувати ефективність ВКР за
трасою проходження лазерного випромінювання через керівське середовище.
3. Доведено, що рух фокальної області в самофокусуючих рідких
середовищах безпосередньо (сам по собі) впливає на частоту випромінювання
параметричних компонент ВКР. Зміщення частоти антистоксової компоненти
відносно комбінаційного резонансу обумовлене необхідністю виконання умови
змішаного, амплітудно-фазового синхронізму, за якого фазове узгодження
хвиль поля і нелінійної поляризації реалізується в околі точки максимальної
амплітуди поляризації, що переміщується разом з фокальною областю.
317
Отримані аналітичні вирази, що описують частотно-кутову густину енергії
антистоксової компоненти ВКР за рівномірного руху фокальної області, з
використанням модельних уявлень про розподіл амплітуди та фази наведеної у
фокальній області нелінійної поляризації.
Числовими методами розраховані спектри антистоксової компоненти для
типових експериментальних умов збудження ВКР гігантськими імпульсами.
Результати розрахунків збігаються з експериментальними даними в тому, що
параметричні компоненти ВКР в умовах самофокусування збуджуючого
випромінювання розширені переважно в довгохвильовий (стоксів) бік.
4. Експериментально виявлено, що за фазової самомодуляції лазерних
імпульсів наносекундного діапазону внаслідок квазістаціонарного
самофокусування саме перехідний ефект (нововведене поняття) є
відповідальним за породження нових спектральних компонент, зміщених до
сотень обернених сантиметрів та переважно в стоксів бік відносно частоти
збуджуючого лазерного випромінювання. Перехідний ефект полягає в тому, що
за перетину фокальною областю вихідної межі середовища з’являються
максимально зміщені спектральні компоненти.
Незважаючи на можливе суттєве частотне розширення лазерних імпульсів
за самофокусування, найбільша спектральна густина енергії припадає на
незміщену частоту.
З використання теоретичного опису та розрахунків визначені часові та
енергетичні характеристики випромінювання, що породжується внаслідок
перехідного ефекту. Досягнено задовільне узгодження з експериментальними
даними.
5. Встановлено взаємний вплив швидкості руху фокальної точки
самофокусування та фазової самомодуляції на частотно-кутові спектри
випромінювання параметричної антистоксової компоненти ВКР.
Пояснено утворення протяжних антистоксових частотно-кутових смуг
ВКР. У випадку збігання швидкості фокальної точки самофокусування з
фазовою швидкістю нелінійної поляризації на антистоксовій комбінаційній
318
частоті та фазовою швидкістю розсіяного осьового випромінювання
утворюються найінтенсивніші частотно-кутові смуги, які описуються
співвідношеннями, характерними для черенковського випромінювання.
Зокрема, за збудження наносекундними лазерними імпульсами в толуолі такі
смуги сягають довжини близько 200 см1
відносно комбінаційної антистоксової
частоти у стоксів бік
6. Вперше отримані експериментальні дані з часовою роздільністю та
здійснено теоретичний опис асиметрії індикатриси стоксової компоненти ВКР
під впливом стокс-антистоксових параметричних процесів.
Стокс-антистоксовий параметричний процес забезпечує додаткове
надходження фотонів у побіжну стоксову компоненту ВКР. Цей надлишок
фотонів у порівнянні із зустрічною стоксовою компонентою у подальшому
поширенні хвиль уздовж середовища зростає за комбінаційним механізмом
вимушеного розсіяння. Таким чином, в конкуренції процесів генерації побіжної
і зустрічної стоксових компонент суттєву перевагу набуває процес побіжного
ВКР.
Досягнено задовільне узгодження теоретичних розрахунків і
експериментальних даних для бензолу при збудженні лазерними імпульсами
тривалістю 25 нс на довжині хвилі 694,3 нм.
7. Теоретично доведено, що частотно-кутова структура параметричних
компонент вимушеного комбінаційного розсіяння в режимі самофокусування
збуджуючого випромінювання та релаксаційних часових коливань амплітуди
нелінійної поляризації має свої особливості: максимум енергії випромінювання
зміщується щодо комбінаційних частот і цей зсув залежить від кута
розсіювання.
Найбільший стоксовий зсув (близько 10 см–1
) максимуму енергії в спектрі
параметричних компонент (які реєструються з точки зупинки фокальної
області) відповідає осьовому випромінюванню та визначається розміром
фокальної області, часом існування поляризації та неузгодженістю хвильових
векторів поляризації і параметричних компонент.
319
Отримано оцінки впливу фазової самомодуляції на випромінювання в разі
релаксаційних коливань, які показують, що цей вплив незначний. Ефект
трактується з точки зору короткочасного фазового синхронізму.
8. Експериментально та теоретично показана можливість використання
самофокусуючих органічних речовин для створення високоефективних
перетворювачів лазерного випромінювання на основі вимушеного
комбінаційного розсіювання.
Запропоновані та апробовані оптичні схеми можуть використовуватися для
генерації ініціюючих субнаносекундних стоксових імпульсів (внаслідок
динаміки самофокусування) і для компресії гігантських імпульсів
багатомодового лазера з десятикратними збільшеннями інтенсивності на
зміщеній частоті стоксової компоненти ВКР.