Введение к работе
Актуальность проблемы, задачи исследования. Применение для обработки и передачи информации электромагнитного излучения оптического диапазона является перспективным направлением развития современных средств связи. Поскольку в качестве источника света в оптических устройствах обычно используют лазеры, то это стимулирует изучение формы лазерного излучения и ее изменения по мере распространения в различных средах, в том числе нелинейных.
В настоящее время общепризнанной теоретической моделью излучения лазера является аксиально-симметричный, или круговой, гауссов пучок света. Распределение поля в любом поперечном сечении гауссова пучка описывается произведением полиномов Эрмита или Лагерра на функцию Гаусса. Но круговая симметрия лазерного излучения не является обязательной. При любом нарушении аксиальной симметрии лазерных резонаторов или оптической системы, через которую проходит излучение, формируется пучок с некруговой формой светового пятна. Например, при прохождении пучка через цилиндрическую линзу его световое пятно приобретает форму эллипса, который деформируется при дальнейшем распространении пучка. Более того, если у оптической системы отсутствуют плоскости симметрии, например, две цилиндрические линзы повернуты на произвольный угол относительно друг друга, то эллиптическое световое пятно по мере распространения лазерного луча не только деформируется, но и поворачивается вокруг оси луча [1].
Одной из актуальных задач является изучение распространения лазерных пучков в средах с кубической нелинейностью. Обычно в теории используют аксиально-симметричное приближение для лазерных пучков, которое не учитывает влияния астигматизма пучка на его распространение в таких средах. Применение эллиптических гауссовых пучкрв позволяет изучить влияние нарушения круговой симметрии излучения на его распространение в нелинейных однородных и квадратично-неоднородных средах.
Изучение распространения эллиптического пучка в средах с квадратичной нелинейностью является также важной задачей, так как эллиптические пучки широко применяются для компенсации снижения эффективности генерации гармоник из-за поперечного сноса необыкновенной волны по сравнению с обыкновенной [2]. Эллиптические пучки применяются, кроме того, и для снижения потерь при генерации гармоник из-за тепловой расстройки фаз, возникающей при использовании интенсивных световых потоков [3].
Цель работы. Целью настоящей работы является теоретическое исследование распространения гауссовых световых пучков в нелинейных средах. В диссертации поставлены следующие задачи:
исследование особенностей распространения эллиптических пучков в однородных средах с кубической (керровской) нелинейностью.
исследование поведения эллиптических пучков в кубично-нелинейных средах с квадратичной неоднородностью.
исследование генерации гармоник вращающегося пучка в -квадратично-нелинейных средах.
Научная новизна. В работе впервые:
на основе эллиптических гауссовых пучков исследовано влияние астигматизма и вращения пучка света на его распространение в нелинейных однородных и неоднородных средах.
предложены и исследованы новые способы реализации биста-бильных элементов на основе поперечных эффектов распространения эллиптических пучков в нелинейных средах.
исследованы свойства излучения второй гармоники и суммарной частоты вращающихся пучков в нелинейных средах.
Практическая ценность. Представленные в диссертации результаты исследования астигматических лазерных пучков в нелинейных средах сформулированы достаточно просто и наглядно. Они могут быть использованы в инженерной практике для расчета оптических устройств, в которых применяются мощные световые потоки.
Схемы бистабильных устройств на основе поперечных эффектов эллиптических световых пучков могут найти применение при создании оптического компьютера. На защиту выносятся следующие результаты:
-
Показано, что распространение в нелинейной среде эллиптического гауссова пучка сопровождается осцилляцией формы светового пятна и дополнительным вращением вызванным нелинейностью среды.
-
Установлено, что критическая мощность самофокусировки растет с увеличением как начальной эллиптичности пучка, так и параметра характеризующего вращения пучка.
-
Предложена схема бистабильной ячейки, использующей эллиптические пучки света, и рассчитаны ее характеристические кривые. Обнаружена возможность мультистабильного режима работы данного устройства.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в тезисах докладов и тринадцати статьях.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на двух семинарах и одной конференции.
Личный вклад автора. Большинство научных работ по теме диссертации выполнено в соавторстве с научным руководителем академиком АНБ A.M. Гончаренко, которому принадлежит постановка задачи, общее руководство работой и участие в обсуждении результатов. Результаты работы [A3] были независимо получены Кукушкиным В.Г. и автором, и по обоюдному согласию были совместно оформлены в
статью. В работе [А5], автору пренадлежит постановка задачи и получения основных результатов (соавтор Тихон Т. Ч., участвовала в расчете и обсуждении решения). В работах [А10]-[А14] автором найдены системы дифференциальных уравнений для параметров эллиптических пучков в нелинейной среде, получены их решения и дана физическая интерпретация результатов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
