2014: Нелинейная поляризационная оптика сверхкоротких световых импульсов

2014-polarization-optics.jpg

Учеными физического факультета МГУ (группа Проф. Владимира Макарова, кафедра ОФ и ВП: Г.А.Грязнов, И.А.Пережогин и Н.Н.Потравкин) выполнено моделирование нелинейной оптической активности в гиротропной среде при распространении в ней сверхкоротких оптических импульсов.

Эффект нелинейной оптической активности — зависимость от интенсивности вращения плоскости поляризации линейно поляризованного света в среде с кубической нелинейностью, был теоретически предсказан почти пятьдесят лет назад на физическом факультете МГУ С.А.Ахмановым и В.И.Жариковым и в 1979 г. был экспериментально обнаружен С.А. Ахмановым, Б.В. Ждановым, Н.И. Желудевым и А.И. Ковригиным. Первоначально это вращение связывалось исключительно с пространственной дисперсией нелинейного оптического отклика среды. Позднее было показано, что зависящее от интенсивности вращение эллипса поляризации в кристаллах высшей и средней категорий связано с действительными и мнимыми частями компонент тензоров локальной и нелокальной кубических восприимчивостей

Последующие теоретические и экспериментальные исследования позволяют со всей определённостью утверждать, что поляризационные самовоздействие и взаимодействие волн — красивые и широко распространённые явления в нелинейной оптике. Волна в устройствах квантовой электроники практически всегда эллиптически поляризована, а используемое в теоретических расчётах приближение неизменности поляризации волны в процессе её распространения мало оправданно и представляет лишь первый шаг на пути последовательного описания нелинейных оптических явлений.

Большинство теоретических результатов современной нелинейной поляризационной оптики получены в приближении применимости метода медленно меняющихся амплитуд, использование которого затруднительно при переходе к предельно коротким импульсам (около десяти и менее периодов колебаний электрического поля). В этом случае теряют физический смысл параметры Стокса, а также такие широко используемые в нелинейной поляризационной оптике параметры, как степень эллиптичности эллипса поляризации и угол поворота его главной оси. О характере изменения электрического поля в распространяющемся лазерном импульсе становится удобным судить по виду годографа вектора напряженности — кривой, описываемой в пространстве концом этого вектора.

В наших исследованиях модификация метода конечных разностей во временной области (FDTD) со вспомогательным дифференциальным уравнением (ADE) впервые использовалась для описания распространения эллиптически поляризованного сверхкороткого импульса в среде с частотной дисперсией и пространственной дисперсией кубической нелинейности. Предложенная нами модель такой среды позволила учесть ее нелинейность в достаточно общем виде и записать материальные уравнения без широко используемого требования малости параметра пространственной дисперсии.

В зависимости от соотношения между параметрами, задающими поляризацию падающего предельно короткого импульса, и константами, характеризующими среду, оказываются возможными различные режимы его распространения. Сложный вид изменения напряженности электрического поля в прошедшем нелинейную гиротропную среду импульсе, существенно отличается от предсказанных формулами для зависящих от интенсивности угла поворота и степени эллиптичности эллипса поляризации, полученными в рамках метода медленно меняющихся амплитуд. Например, в ряде случаев в процессе распространения сверхкороткого импульса годограф вектора напряженности его электрического поля может поменять направление спиральной закрученности с правой на левую или наоборот.

Результаты этих исследований былы опубликованы в статье G.A.Gryaznov, V.A. Makarov, I.A.Perezhogin, N.N.Potravkin, Phys. Rev. E 89, 013306 (2014).