 | Кульчин Ю.Н. Современная оптика и фотоника нано- и микросистем. - М.: Физматлит, 2016. - 435 с.
ШИФР ОТДЕЛЕНИЯ ГПНТБ СО РАН З 86-К906
| |
Введение ........................................................ 9
Глава 1. Основы нелинейной оптики ............................. 11
Введение ....................................................... 11
1.1 Поляризация диэлектриков в постоянном электрическом поле .. 17
1.2 Поляризация изотропного диэлектрика в световом поле ....... 20
1.3 Взаимодействие интенсивных электромагнитных волн с
нелинейной средой ......................................... 24
1.3.1 Генерация второй гармоники ......................... 26
1.3.2 Условие фазового синхронизма ....................... 27
1.3.3 Генерация второй оптической гармоники (ГВГ) ........ 29
1.4. Эффект Керра в нелинейной среде ........................... 32
1.4.1 Статический эффект Керра ........................... 32
1.4.2 Динамический (оптический) эффект Керра ............. 34
1.5 Керровская самофокусировка света в нелинейной среде ....... 35
1.6 Плазменная самофокусировка ................................ 40
1.7 Фазовая самомодуляция светового излучения ................. 41
Список литературы к гл. 1 ...................................... 43
Глава 2. Явления филаментации и генерации суперконтинуума
при распространении лазерных импульсов в нелинейной среде ...... 44
Введение ....................................................... 44
2.1 Генерация суперконтинуума при распространении импульсного
излучени в конденсированных средах ........................ 46
2.2 Филаментация импульсного излучения в газообразных средах .. 62
2.3 Филаментация лазерного излучения в атмосфере .............. 67
Список литературы к гл. 2 ...................................... 70
Глава 3. Фотонные кристаллы .................................... 73
Введение ....................................................... 73
3.1 Запрещенные зоны фотонных кристаллов ...................... 73
3.2 Дефекты в фотонных кристаллах ............................. 82
3.3 Фотонно-кристаллические волоконные световоды .............. 89
3.3.1 Брэгговские волоконные световоды .................. 92
3.3.2 20-фотонно-кристаллические волоконные световоды .... 95
Список литературы к гл. 3 ..................................... 102
Глава 4. Нелинейная оптика волоконных световодов .............. 104
Введение ...................................................... 104
4.1 Нелинейно-оптические процессы в волоконных световодах .... 104
4.2 Волноводное усиление эффективности нелинейно-оптических
процессов в волоконных световодах ....................... 107
4.3 Фазовая самомодуляция излучения в волоконных световодах .. 109
4.4 Влияние дисперсии на нелинейные процессы в волоконных
световодах ............................................... 112
4.5 Фазовая кросс-модуляция импульсов в волоконных
световодах ............................................... 115
4.6 Четырехволновое смешение волн ............................ 117
4.7 Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) излучения в
волоконных световодах .................................... 119
4.8 Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в
волоконных световодах .................................... 123
4.9 Распространение ультракоротких лазерных импульсов в
волоконных световодах .................................... 126
4.9.1 Накачка в области нормальной дисперсии ............ 128
4.9.2 Накачка в области аномальной дисперсии ............ 133
4.10 Генерация суперконтинуума в волоконых световодах ......... 136
4.11 Нелинейные свойства фотонно-кристаллических волоконных
световодов .............................................. 138
4.11.1 Дисперсионные свойства микроструктурированных
волоконных световодов ............................. 141
4.11.2 Генерация суперконтинуума в МС-волоконных
световодах, для которых длина волны импульса
накачки лежит в области аномальной дисперсии ...... 146
4.11.3 Генерация суперконтинуума в МС-волоконных
световодах при накачке в области нормальной
дисперсии ......................................... 158
4.11.4 Генерация суперконтинуума в МС-волоконных
световодах, имеющих две длины волны нулевой
дисперсии ......................................... 161
4.11.5 Нелинейно-оптические свойства дырчатых
ФК-волоконных световодов .......................... 167
Список литературы к гл. 4 ..................................... 171
Глава 5. Волоконные лазеры .................................... 173
Введение ...................................................... 173
5.1 Принцип работы волоконного лазера ........................ 175
5.1.1 Активные волоконные световоды ..................... 175
5.1.2 Резонаторы волоконных лазеров ..................... 182
5.1.2.1 Резонаторы типа Фабри-Перо .................... 182
5.1.2.2 Кольцевые волоконные резонаторы .............. 184
5.1.2.3 Резонатор на основе волоконных брэгговских
решеток ....................................... 184
5.1.3 Особенности активных световодов как среды
усиления излучения ................................ 187
5.2 Непрерывные волоконные лазеры ............................. 188
5.2.1 Волоконные лазеры на основе активных световодов,
легированных ионами неодима (Nd3+) ................ 189
5.2.2 Лазеры на основе активных световодов,
легированных ионами иттербия (Yb3+) ............... 191
5.2.3 Волоконные лазеры на основе активных волоконных
световодов, легированных ионами эрбия (Еr3+) ...... 192
5.2.4 Волоконные лазеры на основе активных волоконных
световодов, легированных ионами тулия (Тm3+) ...... 193
5.2.5 Волоконные лазеры на основе активных волоконных
световодов, легированных ионами гольмия (Но3+) .... 194
5.3 Волоконные лазеры на основе вынужденного
комбинационного рассеяния излучения (волоконные
ВКР-лазеры) .............................................. 195
5.3.1 Явление ВКР-рассеяния излучения в волоконных
световодах ........................................ 196
5.3.2 Волоконные ВКР-лазеры ............................. 200
5.3.2.1 Однокаскадные ВКР-лазеры ...................... 200
5.3.2.2 Многокаскадные ВКР-лазеры ..................... 202
5.3.2.3 Составные ВКР-лазеры .......................... 203
5.3.2.4 Волоконные ВКР-лазеры со случайной
распределенной обратной связью ................ 204
5.4 Импульсные волоконные лазеры ............................. 210
5.4.1 Методы получения импульсного излучения
волоконных лазеров ................................ 210
5.4.1.1 Модуляция добротности волоконных лазеров ...... 210
5.4.1.2 Генерация импульсного излучения за счет
синхронизации мод волоконного лазера .......... 213
5.4.2 Компенсация дисперсионного расплывания импульсов
в волоконных лазерах .............................. 232
5.4.2.1 Призменные компенсаторы дисперсии групповой
скорости ...................................... 236
5.4.2.2 Решеточный компенсатор дисперсии групповой
скорости ...................................... 239
5.4.2.3 Компенсатор дисперсии групповой скорости на
основе интерферометра Жира-Турнуа ............. 240
5.4.2.4 Компенсаторы дисперсии групповой скорости на
основе чирпированных брэгговских зеркал ....... 242
5.4.3 Усиление УКИ в волоконных лазерах ................. 249
Список литературы к гл. 5 ..................................... 251
Глава 6. Фотоника наностуктурированных биоминеральных
объектов и их биомиметических аналогов ........................ 255
Введение ...................................................... 255
6.1 Морфология и физико-химические характеристики спикул
глубоководных стеклянных морских губок ................... 258
6.2 Роль фотонно-кристаллических свойств спикул
глубоководных морских губок в процессе их метаболизма .... 265
6.3 Нелинейно-оптические свойства спикул глубоководных
стеклянных морских губок ................................. 268
6.4 Биомиметическое моделирование биосиликатного
нанокомпозитного материала спикул ГСМГ ................... 271
6.4.1 Золь-гель технологии химического моделирования
биоминеральных нанокомпозитных материалов и его
оптические характеристики ......................... 271
6.4.2 2-D и 3-D биомиметические нанокомпозитные
биоминеральные структуры для фотоники,
биомедицины, катализа и сорбции ................... 274
6.5 Биосилификация в живых системах с использованием
клонированных белков силикатеинов ........................ 279
Список литературы к гл. 6 ..................................... 282
Глава 7. Динамическая голография и оптические Novelty-
фильтры ....................................................... 285
Введение ...................................................... 285
7.1 Процесс взаимодействия двух плоских волн на
динамических голограммах в фоторефрактивных кристаллах ... 287
7.2 Передаточная характеристика оптического Novelty-фильтра .. 291
7.3 Особенности функционирования оптических Novelty-
фильтров ................................................. 294
7.3.1 Низкочастотный и высокочастотный Novelty-фильтры .. 294
7.3.2 Полосовой Novelty-фильтр ......................... 296
7.4 Novelty-фильтры, основанные на использовании явления
фанинга в фоторефрактивных кристаллах .................... 298
7.4.1 Функциональные Novelty-фильтры для обработки
изображений на основе эффекта фанинга ............ 299
7.4.2 Высокочастотные корреляционные Novelty-фильтры
реального времени ................................. 302
Список литературы к гл. 7 ..................................... 305
Глава 8. Адаптивные оптоэлектронные системы СМАРТ ГРИД-
мониторинга физических полей и объектов ....................... 308
Введение ...................................................... 308
8.1 Томографические РВОИС для реконструкции распределений
скалярных и векторных физических полей ................... 311
8.2 Протяженные ВОИЛ на основе ОМИ и методы адаптивной
пространственной фильтрации .............................. 316
8.3 Методы мультиплексирования волоконно-оптических
измерительных линий в СМАРТ ГРИД-системах мониторинга .... 320
8.3.1 Пространственное мультиплексирование .............. 324
8.3.2 Угловое мультиплексирование ....................... 327
8.3.3 Спектральное мультиплексирование .................. 331
Список литературы к гл. 8 ..................................... 336
Глава 9. Лазерное охлаждение, пленение и управление атомами ... 342
Введение ...................................................... 342
9.1 Доплеровское охлаждение .................................. 343
9.2 Зеемановское охлаждение .................................. 346
9.3 Остановка и пленение атомов .............................. 350
9.3.1 Доплеровские ловушки ............................. 350
9.3.2 Магнитооптические ловушки ........................ 351
9.4 Сизифово охлаждение ...................................... 354
9.5 Лазерное охлаждение ниже уровня отдачи ................... 359
9.5.1 Охлаждение атомов на основе селективного по
скоростям когерентного пленения их населенностей .. 359
9.5.2 Испарительное охлаждение атомов ................... 361
9.6 Физика холодных атомов и ее приложения ................... 362
9.6.1 Однокомпонентная плазма .......................... 364
9.6.2 Бозе-эйнштейновская конденсация атомов ............ 364
9.6.3 Атомный лазер ..................................... 367
9.6.4 Атомный фонтан и атомные часы ..................... 370
9.6.5 Атомная оптика ................................... 371
9.6.5.1 Методы построения элементов атомной оптики .... 372
9.6.5.2 Атомнооптическая нанолитография .............. 376
Список литературы к гл. 9 ..................................... 380
Глава 10. Фотоника наноструктур ............................... 382
Введение ...................................................... 382
10.1 Энергетический спектр наноразмерных структур ............. 382
10.1.1 Объемная кристаллическая структура ................ 383
10.1.1.1 Энергетический спектр носителей заряда в
объемной кристаллической структуре ............ 383
10.1.1.2 Плотность состояний электронов в
энергетической зоне ........................... 384
10.1.2 Одномерная изолированная квантовая яма и
квантовая нить .................................... 386
10.1.2.1 Одномерная изолированная квантовая яма ........ 386
10.1.2.2 Квантовая нить ................................ 388
10.1.2.3 Плотность состояний электронов для
изолированной одномерной квантовой ямы ........ 389
10.1.2.4 Плотность состояний для квантовой нити ....... 391
10.1.3 Квантовые точки и плотность состояний электронов
в них ............................................. 392
10.2 Экситонные состояния в полупроводниковых и
диэлектрических дполсмрических материалах ................ 394
10.2.1 Свободные экситоны, или экситоны Ванье-Мотта ...... 394
10.2.2 Связанные экситоны или экситоны Френкеля .......... 401
10.3 Влияние формы наночастиц на энергетическую подсистему
носителей заряда ......................................... 402
10.3.1 Одночастичные состояния в наночастицах сложной
формы ............................................. 404
10.3.2 Двухчастичные (экситонные) состояния
в наночастицах с неправильной геометрией формы .... 407
10.4 Влияние окружающей среды на энергетический спектр
экситонов в наночастицах ................................ 413
10.5 Низкоэнергетическая оптическая нелинейность жидких
нанокомпозитных сред на основе наночастиц ................ 424
Список литературы к гл. 10 .................................... 433
|
| Рассматриваются современные достижения в области исследования процессов линейного и нелинейного распространения непрерывного и импульсного лазерного излучения в объемных и фотонно-кристаллических средах. Приводятся результаты исследования и особенности функционирования волоконных лазеров, создаваемых живой природой фотонно-кристаллических объектов, а также фотонных информационных систем, основанных на применении динамических голографических фильтров. Дано описание распределенных волоконно-оптических измерительных систем, перспективных для создания систем мониторинга. Изложены физические основы сверхнизкого лазерного охлаждения атомов и рассмотрены области его практического применения. Развита теория оптических и нелинейно-оптических свойств гетерогенных наноструктуриро-ванных систем и приведены результаты их экспериментального исследования.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов, занимающихся вопросами фотоники и нанофотоники, оптической обработки информации, оптических измерений и нанотехнологий, а также может быть полезна студентам и аспирантам соответствующих направлений подготовки.
|
|
