Введение к работе
Актуальность темы.
Традиционные задачи спектроскопии весьма нетривиальных свойств поверхности, а также потребности развития интегральной оптики и поиск новых эффектов для создания оптических систем передачи, обработки и хранения информации стимулирузот разносторонние экспериментальные и теоретические исследования ..оптических явлений, связанных с прохождением электромагнитного излучения границы раздела сред и тонких покрытий. Значительная часть этих исследований посвящена изучению резонансного взаимодействия света со сверхтонкой пленкой (СП)" примесных атомов;
Сверхтонкая активированная диэлектрическая пленка с толщиной, намного меньшей длины.волны падающего излучения, обладает уникальными оптическими свойствами.. Нелинейная связь между амплитудой поля прошедшей волны.и оптическими свойствами СП, расположенной на границе раздела двух, линейных сред,.приводит.х-наблюдению ряда нелинейно-оптических явлений, как, например, самоиндуцированная прозрачность и оптическая бистабильность. При облучении тонкого слоя резонансных атомов ультракороткими, импульсами (УКИ) лазерного излучения особое значение приобретают когерентные переходные процессы, обусловленные способное^ тью резонансных атомов запоминать фазу, когерентного ;излучения. Переходные процессы в СП протекают существенно иначе, чем; в объемных средах, а эффекты типа фотонного эха приобретают новые черты, значительно расширяющие возможности их практического использования. В силу своих уникальных свойств СП считал, ются перспективными с точки зрения использования в устройствах квантовой электроники и интегральной оптики. Кроме того, интерес к нелинейным оптическим явлениям в тонких пленках тесно.связан с проблемой создания тонкопленочных лазеров и необходимостью эффективного управления лазерным излучением соответствующих структур.
Вместе с тем, теоретическое исследование граничной задачи от- . ражения и преломления интенсивного электромагнитного излучения сверхтонкой пленкой на границе раздела двух непоглощающих диэлектриков проводится на основе феноменологической (макроскопической) теории дисперсии', которая использует понятия макроскопического и микроскопического полей, а также диэлектрической
проницаемости, имеющей явный макроскопический смысл. Отличие микрополя Е от макрополя Елокрс, обусловленное промежутками между атомами (либо иными оптическими центрами) среды, находится из соотношения
Е = Емакро + -^Г-Р'' С*"')
где Р = (iV/V)aE есть вектор электрической поляризации, а- поляризуемость, N/V - концентрация атомов. Знание соотношения (1) необходимо для вычисления микроскопического поля, определяющего через соответствующие материальные уравнения движение атомов резонансноіі подсистемы СП. Однако в оптике малых объектов, к которым относится и сверхтонкая пленка, соотношение (1) требует
тггАлттттлттл ^тчлтіГЛ ггллл ТТпплрТТЛ ТГП1ПТТПТТТТ(Т "П Г\ГГТтт1ГГТГяа ОТ1 ЧГТ-\ГЭГ>ГТС1ТТТТТТ
Максвелла, записываемых для макроскопических полей, не должны содержать процедуры усреднения полей по координатам и времени.
Поэтому решение соответствующей граничной задачи, различные аспекты которой в последнее время-широко обсуждаются в печати, требует применения адекватного подхода, которое должно опираться только на понятие микроскопического поля и использовать микроскопические полевые уравнения.
Цель работы: Построение микроскопической теории частотной дисперсии сверхтонких диэлектрических пленок при их возбуждении интенсивными квазирезонансными непрерывными и импульсными световыми полями. Оптические свойства СП будут определяться с помощью комплексного показателя преломления, который характеризует процессы отражения и прохождения света в различных граничных задачах нелинейной резонансной оптики..
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование взаимодействия электрона и позитрона в атоме позитрония в координатном представлении как эффектов третьего порядка квантовой электродинамики.
-
Исследование дисперсионных и поглощательных свойств оптически плотных сред с электромагнитно индуцированной интерференцией атомных уровней.
-
Разработка математического формализма решения граничной задачи преломления и отражения электромагнитного излучения
активированной СП на поверхности непоглощающего-диэлектрика.
4. Исследование комплексного показателя преломления и амплитудно-фазовых свойств поля внутри и вне СП, активированной двух-или.трехуровневыми атомами.при различных условиях возбуждения.
Основные положения, представляемые к защите:
-
Решена задача о взаимодействии электрона и позитрона как эффекта 3-го порядка квантовой электродинамики в координатном представлении. Показано, что.процесс излучения или поглощения реального оптического фотона сопровождается наведением поляпиз^ющего поля вн^тои атома.-'позитрония волновая функция которого представлена в виде простого произведения волновых функций электрона и позитрона.
-
Получена формуладля тензора поляризуемости-многоуровневого атома (молекулы) в поле мощного квазирезонансного и слабого пробного излучения.
-
Показано, что при интерференции атомных состояний в диэлектрике формируются три волны - две волны поляризации и одна волна инверсии.
-
Показано, что в определенной области частот пробного излучения возможно усиление без инверсии, когда знак показателя поглощения меняется на противоположный. Исследованы свойства этого эффекта в отражении и преломлении, пробного излучения в сверхтонкой диэлектрической пленке.
-
Получена формула для комплексного показателя преломления активированного диэлектрика при произвольной концентрации резонансных примесных атомов, возбуждаемых мощным оптическим излучением.
-
Решена граничная задача о взаимодействии двух-световых импульсов со сверхтонкой активированной диэлектрической пленкой. Исследовано временное поведение комплексного показателя, преломления и амплитудно-фазовых свойств отраженной и преломленной волн в условиях формирования в пленке, первичного светового эха.
Научная новизна.
Диссертационная работа посвящена оптике малых объектов. Адекватное описание нелинейно-оптических явлении, возникающих при взаимодействии оптического излучения с микроскопическими обьектами, требует отказа от использования таких понятий как диэлектрическая проницаемость и макроскопическое поле. Поэтому полевые уравнения должны быть микроскопическими. В классической оптике диэлектриков известна микроскопическая теория дисперсии, основанная на применении интегралъных.уравнений для микроскопических полей. В результате решения интегрального уравнения удается строгим образом получить формулу Лоренти-Лоренца для показателя преломления диэлектрика, а также формулы Френеля для амплитуд отраженной и. преломленной волн при взаимодействии плоской световой волны с поверхностью полубесконечной оптической среды. Недостатком этой теории -является, в частности, то, что она справедлива для слабых световых полей, неограниченных в пространстве и во времени. В данной диссертации построена микроскопическая теория дисперсии сверхтонких пленок при воздействии на них мощных непрерывных или импульсных световых полей.
Применение интегрального уравнения распространения электромагнитных волн в оптической среде, активированной резонансными центрами, требует соответствующего обобщения. На основе решения задачи взаимодействия электрона и позитрона, сопровождаемого излучением или поглощением оптического фотона, впервые показано, что в атоме позитрония возникают поляризующие поля, которые имеют место в диэлектрике. Опираясь на имеющиеся представления о смысле поляризующих полей, в диссертационной работе использовано интегральное уравнение для напряженности электрического поля в СП, содержащих примесные резонансные атомы (молекулы) .
Далее, рассмотрены теоретически две новые оптические схемы возбуждения сверхтонких пленок. В первой схеме возбуждения исследована граничная задача взаимодействия пробного светового поля со сверхтонкой пленкой резонансных атомов, в спектре которых какие-либо два уровня переводятся в когерентное суперпозиционное состояние с помощью квазирезонансного излучения в приближении заданного поля. Во второй оптической схемерассмотренаиная физическая ситуация, когда СП, активированная двухуровневыми центрами, возбуждается двумя УКИ лазерногоизлучения, разнесенными
в пространстве и во времени. Исследованы свойства отраженного и преломленного сигналов первичного фотонного эха, а также свойства отраженных и прошедших волн в течении всего интервала, форт мирования эхо-сигнала. Практическая ценность работы.
Практическая значимость работы заключается.в получении результатов, которые могут, быть использованы для разработки оптического метода исследования малых объектов и эффективного управления излучением тонкопленочных структур.
Предложенный в работе метод решения граничных задач отражения и преломления световых волн сверхтонкой пленкой на поверхности недоглощающего диэлектрика, в которой формируется некоторый стационарный либо нестационарный когерентный процесс, имеет важное значение для развития методов когерентной спектроскопии поверхности. Методы оптической эхо-спектроскопии поверхности уже применялись для исследования спектральных и релаксационных характеристик частиц (атомов, молекул и т.д.), находящихся внутри среды, включая ее поверхность, а также внутри тонких пленок. Полученные в диссертационной работе модифицированные формулы Френеля и обобщенная формула Лорентц-Лоренда позволяют выявить оптимальные условия формирования фотонного эха в сверхтонкой пленке, а также проследить динамику отражения и прохождения возбуждающих импульсов-и, собственно, эхо-сигнала. Эти результаты представляют несомненный интерес и для разработки систем оптической обработки информации. Применительно к ситуации, когда СП представлена многоуровневыми атомами с индуцированной интерференцией-атомных состояний, использование полученных формул может помочь в выборе оптимальных условий возбуждения для получения усиления лазерного излучения без инверсии населениостей. Наконец, введение понятия поляризующих полей внутри атома является важным в прецизионной оптической и радиоспектроскопии атома позитрония, а также в квантовой позитронике. Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V научно-практической конференции молодых ученых Ульяновского государственного университета (Ульяновск, 1996), VI международном симпозиуме "Фотонное эхо и когерентная спектроскопия" (Йошкар-Ола, 1997), VII научно-практической кон-
ференции молодых ученых Ульяновского государственного -университета (Ульяновск, 199S).
Публикации. Основные результаты исследований отражены в і печатных работах. Структура и объем диссертационной работы.
Диссертационная работа изложена на 129 страницах, иллюстрируется 22 рисунками и состоит из.введения, трех оригинальных глав, каждая из которых содержит обзор литературы и анализ состояния исследуемого вопроса, заключения, списка литературы .из 143 наименований и двух приложений на 6.страницах.
Похожие диссертации на Микроскопическая теория частотной дисперсии сверхтонких нелинейных активированных диэлектрических пленок при взаимодействии с интенсивными квазирезонансными световыми полями
