Введение к работе
Актуальность проблемы. Перспективное и приоритетное направление вот уже несколько лет на территории Российской Федерации занимает индустрия наносистем. Если же рассматривать масштабы мирового развития наноиндустрии, то тут интерес не гаснет уже на протяжении нескольких десятилетий.
Интерес к наноструктурам обусловлен тем, что они являются основой практически всех современных приборов микро-, нано-, оптоэлектроники, нанофотоники и др. В связи с этим первоочередным становится процесс получения наноструктур, их исследование и совершенствование. Особую нишу занимают наноструктуры на основе углерода. Этот факт объясняется в способности атома углерода к гибридизации и образованию новых соединений с двойными и тройными связями, с присутствием тг-электронов. Таким образом углерод образует большое количество разнообразных аллотропных соединений.
Обладающие уникальными механическими, оптическими, химическими и электрическими свойствами углеродные наноструктуры являются перспективными материалами для изготовления на их основе разнообразных устройств микроэлектроники, оптических приборов, разработки новых композиционных материалов, в том числе фотонных кристаллов и т.д. [1-9].
В итоге можно отметить, что перспектива развития нанотехнологий может дать импульс для развития отраслевой экономики на многие годы вперед. Промышленные производства постепенно приходят к пониманию важности использования нанотехнологий, которые в свою очередь приведут к возможности развития бизнеса, поднятию производства на новый технологический уровень, конкурентоспособности на мировом рынке или даже к образованию нового наукоемкого производства.
Целью работы является численное исследование динамики распространения предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок.
В рамках поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработка физической модели для исследования динамики распространения предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок.
-
Вывод эффективных уравнений для исследования эволюции предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных
нанотрубок.
-
Рассмотрение распространения двух- и трехмерных предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок.
-
Исследование влияния неоднородной среды углеродных нанотрубок на динамику распространения «бездифракционных» предельно коротких оптических импульсов Бесселева и Эйри сечения.
5. Изучение влияния изменения плотности углеродных нанотрубок на
направление предельно коротких оптических импульсов.
Научная новизна настоящей работы заключается прежде всего в полученных результатах:
-
В рамках полученной физической модели выведены соответствующие эффективные уравнения для динамики двух-, трехмерных предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок.
-
Впервые в результате численных расчетов показана возможность устойчивого распространения двух-, трехмерных предельно коротких оптических импульсов, а также импульсов Бесселева и Эйри сечения в неоднородной среде углеродных нанотрубок.
-
Показана возможность изменение направления распространения предельно коротких оптических импульсов и его формы за счет изменения концентрации углеродных нанотрубок.
Научная и практическая ценность работы. В диссертационном исследовании были рассмотрены процессы распространения предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок, важность которых заключается не только в фундаментальных исследованиях, но и в практических приложениях. Были установлены возможности распространения двумерных, трехмерных предельно коротких оптических импульсов, также была выявлена зависимость концентрации УНТ от направления распространения предельно короткого оптического импульса.
Все результаты, которые были получены, открывают абсолютно новую перспективу практического использования и последующего теоретического исследования наноструктур на основе углерода. Появляется возможность создания сред, в которых можно управлять временем задержки оптического импульса, групповой скоростью волнового пакета, а также направлением его распространения.
Достоверность основных положений и выводов диссертации
обеспечивается использованием строгого математического аппарата
теоретической физики, анализом физических принципов и разработанных
моделей, использование общих алгоритмов по результатам, которые были
получены для частных случаев, совпадением с результатами, полученными
другими методами, а также качественным и количественным сравнением с уже
существующими экспериментальными данными, сравнением с
проанализированными и обоснованными выводами.
Методы исследования. При проведении исследований в диссертационной работе применялись методы математической и статистической физики, численные методы решения дифференциальных уравнений, уравнений в частных производных.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Численное моделирование эффективного уравнения для динамики предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок позволяет установить, что распространение двух-, трехмерных предельно коротких оптических импульсов, а также импульсов Бесселева и Эйри сечения является устойчивым в данной среде.
-
Изменение концентрации углеродных нанотрубок позволяет управлять направлением распространения предельно коротких оптических импульсов в неоднородной среде углеродных нанотрубок.
-
Параметры неоднородной среды из углеродных нанотрубок влияют на форму и скорость предельно коротких оптических импульсов.
Апробация результатов. Результаты, полученные в настоящей
диссертационной работе, докладывались на различных конференциях,
семинарах, среди которых: II Международная научно-практическая
конференция «Физика и технология наноматериалов и структур» ЮЗГУ, Курск, 24-26 ноября 2015 г., XV Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (ФММС-15) Воронеж, 27-28 ноября 2015 г., XIII Международная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» Курск, 24-26 мая 2016 г., XV Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» имени профессора А.П. Сухорукова (Волны-2016), г. Можайск, Московская область, 05-10 июня 2016 г., Современная химическая физика. XXVIII Симпозиум. г. Туапсе 19 - 30 сентября 2016, XVI Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» имени А.П. Сухорукова («Волны-2017») г. Можайск, Московская область 4-9 июня 2017 г.,
13th International Conference Advanced Carbon Nanostructure ACNS’2017, July 3-7, 2017, Saint Petersburg, XI Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии (ФЭКС – 2017) Светлогорск, 16-21 сентября 2017 г.
Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад
автора в опубликованные работы. Постановка задачи, выбор направления и
методов исследований осуществлялась автором совместно с научным
руководителем. Основная часть теоретических расчетов выполнена
непосредственно автором, а анализ и интерпретация результатов расчетов проведен совместно с научным руководителем и профессором, д.ф.-м.н. М.Б. Белоненко.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит 4 глав, заключения и списка литературы из 137 наименований, содержит 112 страниц текста, 37 рисунков.