Самоорганизация возбуждений в силикатных волоконных световодах с примесями GeO2 и их роль в генерации второй гармоники Антонюк, Вадим Борисович

Краткое описание

Антонюк, Вадим Борисович.
Самоорганизация возбуждений в силикатных волоконных световодах с примесями GeO2 и их роль в генерации второй гармоники : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.02. - Троицк, 1999. - 85 с. : ил.
Введение диссертации (часть автореферата)на тему «Самоорганизация возбуждений в силикатных волоконных световодах с примесями GeO2 и их роль в генерации второй гармоники»
Явления самоорганизации в открытых физических системах чрезвычайно разнообразны и красивы. Остановимся вкратце на некоторых примерах. При смешивании четырех или пяти химических соединений (например, бромата натрия, малоновой кислоты, серной кислоты и ферроина) в надлежащем диапазоне концентраций и температур система спонтанно самоорганизуется в пространственно-временные диссипативныектуры макроскопических размеров. В этой химической реакции образуется более 20 промежуточных продуктов. Возникающие химические волны обычно наблюдают по изменению окраски катализатора, в двумерном случае картина бывает похожа на упорядоченные ячейки (пчелиные соты в разрезе) или на группу концентрических окружностей. Данная колебательная система называется системой Жаботинского [1].
Эффект, носящий название конвекции Рэлея-Бенара, является примером самоорганизации в гидродинамике [2]. Слой изучаемой жидкости (силиконового масла) заключается между двумя полированными пластинами с высокой теплопроводностью. Одна из пластин-нагревается, и, если число Рэлея На (пропорциональное приложенной к слою разности температур в вертикальном направлении) превышает некоторое критическое значение Rac, в слое жидкости образуется конвективная структура из прямых цилиндров, оси которых перпендикулярны наибольшей стороне основания. Эта периодическая структура имеет вполне определенную длину волны, которая вблизи порога Rac близка к удвоенной толщине слоя. В модели явления за параметр порядка принимают амплитуду скорости конвекции: V > 0 при IIa > Rac Если же число Рэлея меньше критического Ra < Rac, то параметр порядка становится равным нулю и упорядоченность конвективного движения исчезает (фазовый переход второго рода).
Нельзя не упомянуть в этом ряду неустойчивость Тьюринга. Рассматривая в своей модели систему диффузионных уравнений для двух веществ с нелинейной правой частью [3], Тьюринг пришел к выводу, что нелинейное взаимодействие делает стационарное решение системы неустойчивым, что приводит к возникновению полей концентрации веществ. Оптическим аналогом неустойчивости Тьюринга можно считать оптический морфогенез. Волновое уравнение для электромагнитного поля в резонаторе в сочетании с керровской нелинейностью приводит к решению в виде устойчивой картины симметрично чередующихся максимумов и минимумов интенсивности. Эта картина наблюдается экспериментально [4] и не имеет ничего общего с интерференционной, так как имеет другой пространственный масштаб.

Анализируя различные примеры самоорганизации, Пригожин сформулировал необходимые условия для её реализации (за эти исследования он впоследствии был удостоен Нобелевской премии): система должна быть открытой; система должна быть существенно нелинейной; - эффект самоорганизации пороговый, т.е. параметр порядка отличен от нуля при значениях определенных физических величин больше критических. В 1986 году два шведских физика Остерберг и Маргулис наблюдали интригующий эффект: самопроизвольную достаточно эффективную (-10 %) генерацию второй гармоники в волоконном световоде с примесью СеОг [5]. Слабая генерация наблюдалась и ранее [б], позднее было показано [7], что ее интенсивность пропорциональна площади поверхности волоконного световода. В приповерхностном слое нарушена симметрия инверсии, ничто не запрещает генерацию и поэтому слабый эффект не вызывает удивления. Напротив, в объеме световода среда центросимметрична, вследствие чего тензор нелинейной поляризуемости ^ тождественно равен нулю, и процесс удвоения частоты невозможен. По этой причине известие об эффективной генерации вызвало большой интерес к проблеме, был предложен ряд теорий. В первой из них [8] обращалось внимание, что вследствие выпрямления полей первой Е1 и второй Е2 гармоник возникает статическая поляризация Ро = ^^Е^^* и соответствующее ей фазовосогласованное статическое электрическое поле Ео = -4лРо. Далее предполагалось, что это поле ориентирует дефекты и, таким образом, возникает запись пространственного распределения поля. Оказалось, однако, что вследствие малости восприимчивости ^ поле Ео слишком слабо. Самые оптимистические оценки амплитуды дают Ео ~ 1 В/см, что, конечно, не позволяет ориентировать дефекты в конденсированной среде. В последующих теориях [9], [10], [11], [12] предложена идея асимметричной фотоионизации дефектов под действием первой и второй гармоники. В них использовались свободные состояния электронов и дырок и многофотонное возбуждение этих состояний. Эти работы описывали некоторые черты явления, однако ряд важных вопросов оставался без ответа. В том же 1986 году Б.П. Антонюком была предложена идея о возможности самоорганизации возбуждений, имеющих дипольный момент, под действием интенсивного лазерного поля [13]. Было показано, что возможно ориентационное упорядочение возбуждений, приводящее к тому, что в среде возникает сильное статическое электрическое поле, способное нарушить симметрию инверсии. Такая среда может эффективно удваивать частоту, и это обстоятельство позволяет привлечь модель самоорганизации [13] для объяснения явления эффективной генерации второй гармоники [5].