ИСТИНА

Проект посвящен разработке теории и проведению экспериментов по распространению и взаимодействию оптических и акустических пучков в объеме и на поверхности твердых и жидких сред. Это позволит выявить новые нелинейные эффекты с участием волн различной природы, найти новые механизмы переключения и локализации импульсных пучков. Наши исследования охватывают проблемы радиофизики, нелинейной динамики, нелинейной акустики, нелинейной оптики, акустооптики, фотоники и фононики. Одна из приоритетных задач проекта состоит в создании методов управления оптическим излучением терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона с помощью акустооптического взаимодействия в средах с высоким значением показателя преломления, таких как кристаллический теллур, а также в полимерах, характеризующихся низкой скоростью акустических волн. В таких материалах коэффициент акустооптического качества, характеризующий эффективность взаимодействия волн, оказывается существенно выше по сравнению с обычными средами. Нами впервые будет исследовано взаимодействие оптических волн локализованных на границе двух сред с поверхностными акустическими волнами. Применение поверхностных оптических пучков, позволит реализовать взаимодействие света с ультразвуком в терагерцовом диапазоне, а также разработать компактные акустооптические устройства, обладающие уникальными характеристиками. В проекте будет исследована нелинейная акустооптическая дифракция мощного оптического пучка в параметрическом генераторе света. При этом регулировка условия фазового синхронизма, а также перестройка длины волны генерируемого излучения можно осуществлять путем изменения частоты ультразвука. В качестве нелинейной среды выбран кристаллический теллур – материал с высоким коэффициентом акустооптического качества и большой квадратичной нелинейностью. Впервые будет изучено взаимодействие оптических и акустических пучков в случае отсутствия синхронизма с брэгговской решеткой ультразвука. В рассматриваемом случае ультразвуковой пучок создает для оптического сигнала плавную неоднородность благодаря акустооптическому взаимодействию на каскадной нелинейности. На индуцированной неоднородности может наблюдаться преломление или полное отражение света от пучка ультразвука, как это происходит при трехчастотном взаимодействии оптических пучков. Относительно высокая эффективность акустооптического взаимодействия позволяет провести эксперименты с пучками непрерывного излучения. Другим важным направлением является теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия оптических и акустических пучков и импульсов в средах с тепловым механизмом изменения фазовой скорости волн. Практический интерес представляет взаимодействие волн при условии, что пучок накачки имеет сложную пространственную структуру. Впервые будет выполнен анализ взаимодействия волн в слоистых средах с тепловой нелинейностью. Если слои обладают разной теплопроводностью, то в структуре возникнет анизотропия индуцированной накачкой неоднородности. В проекте будет исследовано взаимодействие акустических пучков в жидких средах, а также твердых телах при высокой интенсивности опорного пучка. Целью данного исследования является определение нелинейного характера взаимодействия двух акустических пучков конечной амплитуды. Важным направлением исследования является изучение взаимодействия оптического излучения и акустического пучка с развитым ударным фронтом. Также будет исследовано акустооптическое взаимодействие при проведении процедуры акустической голографии в жидкости. В поставленных экспериментах будет вестись контроль распределения температуры при нагреве среды ультразвуковым пучком методами акустической томографии, а распределение акустического поля ультразвуковых пучков - методом акустической голографии; оптические пучки будут фиксироваться и анализироваться на ПЗС матрице.

В результате исследований в рамках заявленных целей проекта был рассмотрен ряд важных задач и явлений в области плазмоники, акустооптики, нелинейной оптики и нелинейной акустики. Основные полученные результаты можно свести к следующему. Для излучения с длиной волны 10,6 мкм построена численная модель процесса преобразования оптического пучка в поверхностный плазмон-поляритон на границе металл – диэлектрик, распространения по поверхности плазмонного пучка и обратного преобразования данного пучка в объемную волну. Преобразование волн осуществлялось методом Отто. Рассчитаны параметры, необходимые для возбуждения плазмон-поляритонов. Проведено численное моделирование задачи акустооптического взаимодействия светового пучка с поверхностной релеевской акустической волной, распространяющейся на границе диэлектрик – воздух. Установлено, что усиление эффективности акустооптического взаимодействия можно достичь при расположении диэлектрика на малом расстоянии от поверхности металла, сравнимом с длиной волны света. Усиление наблюдается при условии, что пучок имеет ТМ поляризацию и направлен под углом соответствующим условию возбуждения на границе металл-воздух поверхностного плазмон-поляритона. Разработана конструкция акустоплазмонного модулятора оптического излучения. Исследовано влияние генерируемых фемтосекундными лазерными импульсами субтерагерцовых акустических импульсов на плазмонные резонансы металл-диэлектрической структурированной пленки. Показано, что при воздействии акустических импульсов на структурированную метал-диэлектрическую пленку наблюдается модуляция коэффициента отражения на частотах, кратных центральной частоте акустического импульса. Наблюдаемая модуляция коэффициента оптического отражения связана с изменениями плазмонного резонанса акустическими волнами, вызванными импульсом деформации. Измерены оптические характеристики новых синтезированных материалов, перспективных для применения в акустооптике инфракрасного диапазона. Показано, что наибольший интерес представляет соединение Ge30Se20Te50. Исследованы особенности распространения оптического пучка в фокусирующей среде с тепловой нелинейностью при наличии акустооптического взаимодействия. Показано, что при выполнении условия для существования каскадной акустооптической нелинейности может происходить скачкообразное изменение траектории оптического пучка. Создана аналитическая теория, описывающая работу автоколебательной системы на основе нелинейного взаимодействия оптических пучков в среде с тепловой нелинейностью при наличии положительной обратной связи. Выявлены условия, необходимые для возбуждения колебаний в системе. Получены зависимости периода и скважности от внешних параметров автоколебательной системы. Определено минимальное возможное значение периода колебаний в системе. Проанализирована возможность создания индуцированной периодической неоднородности показателя преломления в среде с тепловой нелинейностью. Выявлены характерные условия существования дискретной дифракции сигнального пучка на индуцированой периодической неоднородности. Рассчитаны параметры взаимодействия мощного опорного акустического пучка на слабый ультразвуковой импульсный пучок, распространяющийся в воде под разными углами к опорному, для диапазона частот опорного пучка 0.5-2 МГц и диагностического 3-6 МГц. Получено хорошее согласование результатов расчета с проведенными экспериментальными исследованиями.