![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Изучение динамики оптических пучков в нелинейных дефокусирующих средах. Изучение динамики взаимодействия оптических импульсов и пучков в фотонных кристаллов. Решение обратных задач дифракции в нелинейных средах, восстановление волнового фронта источника
The work is carried out in several parallel directions. The first direction is devoted to the study of the processes of beam propagation in one-dimensional photonic crystals. As part of this task, numerical simulation of the propagation of narrow light beams in the forbidden region of a one-dimensional photonic crystal as a semi-infinite periodic structure will be carried out. The obtained results will allow us to estimate the field structure at various points inside the crystal. The propagation processes of a particular type of Gaussian beams will be calculated and the nature of the distortion of the initial profile in various regions of the forbidden zone will be determined. Of interest is also the case of finding the beam spectrum simultaneously in the allowed and forbidden regions of the crystal. Calculations are planned to be carried out using the spectral method and the method of solving related equations. The second direction includes studies of the features of nonlinear interaction of pulsed beams. Within the framework of this direction, it is planned to develop a theoretical model for the interaction of wave beams of pulsed radiation, based on which a numerical algorithm will be created and modeling will be carried out to reflect the signal pulsed beam from a powerful pulsed beam of a different frequency. The third area relates to an important fundamental field of inverse problems under conditions of strong nonlinearity. It is planned to create a numerical algorithm for solving the inverse nonlinear radiation problem in a strongly nonlinear case up to the formation of shock fronts using acoustic disturbances in a viscous medium as an example. The application of the developed numerical algorithm for processing experimental data will allow us to reconstruct the real boundary conditions that are required to solve the direct radiation problem in the case of high intensities.
На основе известных аналитичесикх закономерностей разпространения волновых структур в фотонных кристаллах планируется обобщить аналитический аппарат и создать комплекс программ для численного расчета физических моделей распространения малопериодных оптических импульсов в твердых телах и газах и эволюции оптических пучков в конденсате Бозе-Эйнштейна. Создать аналитическую модель генерации второй гармоники оптическим излучением, ограниченным одновременно как в пространстве, так и во времени при распространении в среде с квадратичной нелинейностью. Определить влияние конкуренции фокусирующих и компрессирующих свойств такого излучения на эффективность энергообмена. Проанализировать возможность формирования временно-пространственных солитонов (оптических пуль). На основе уравнения Вестервельта разработать численную модель для решения обратной задачи в условиях аксиальной симметрии для описания дифракционного расплывания волнового пучка в нелинейной среде. Осуществить проверку созданного алгоритма на численной модели поршневого распределения в условиях слабой нелинейности (при малых мощностях излучения). Определить параметры расчета, необходимое количество гармоник, требуемых для обеспечения заданной точности, в зависимости от основной частоты и мощности излучения. Осуществить экспериментальную проверку метода для решения обратной задачи при использовании реальных полей, полученных экспериментально для фокусированных излучателей мегагерцового диапазона при умеренных мощностях (до 10 Вт). Создать модель для описания распространения оптических бризеров в нелинейной дискретной среде с частотыми, близкими к резонансным частотам узлов среды.
Научный задел составляют работы по нелинейным волновым полям, начатые А.П. Сухоруковым. Обширный круг исследований по самофокусировке волновых пучков в средах с различными механизмами нелинейности позволил получить ряд точных аналитических решений, описывающих ход лучей в нелинейных средах при использовании метода гидродинамических аналогий. Важные результаты, на которые опираются текущие исследования, были получены при исследовании ряда закономерностей распространения мощных лазерных пучков в атмосфере. Были выявлены эффекты самоискривления траектории светового пучка в движущейся среде или при его сканировании; выявлены основные свойства тепловой дефокусировки с учётом свободной конвекции. Также научный задел обеспечивается работами по исследованию трехчастотных взаимодействий волновых пучков и пакетов с учётом дифракции и дисперсии. Разработанная теория позволила понять явление дифракционной некогерентности, выявить дифракционный предел эффективности мощных удвоителей частоты света, сформулировать принцип оптимальной фокусировки. Была развита теория параметрического взаимодействия и вынужденного рассеяния коротких импульсов с учётом рассогласования групповых скоростей. Впервые была рассмотрена генерация гигантского параметрического импульса, который имел амплитуду большую, чем у волны накачки, и фемтосекундную длительность. Был открыт новый механизм локализации волновых пучков и импульсов в квадратично-нелинейных средах и предсказано существование параметрических солитонов, которые часто называются квадратичными по типу нелинейности среды. Большая часть работ посвящена нелинейной акустике волновых пучков. Была разработана теория дифракции узких пучков в средах без дисперсии и применена к описанию параметрических акустических антенн. Были найдены точные аналитические решения уравнений высокочастотной акустики при произвольном задании распределения фазы и амплитуды на границе источника звука.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования на кафедре позволили получить следующие результаты: На основе полуклассической модели произведено аналитическое описание и создан комплекс программ для расчета следующих физических моделей: распространение малопериодных оптических импульсов в твердых телах и газах; эволюция оптических пучков в конденсате Бозе-Эйнштейна. Для среды с квадратичной нелинейностью создана аналитическая модель генерации второй гармоники оптическим излучением, ограниченным одновременно как в пространстве, так и во времени. Исследовано влияние конкуренции фокусирующих и компрессирующих свойств такого излучения на эффективность энергообмена. Проанализирована возможность формирования временно-пространственных солитонов (оптических пуль). Создана численная модель для решения обратной задачи в условиях аксиальной симметрии для описания дифракционного расплывания волнового пучка в нелинейной среде. Реализация алгоритма проверена на численной модели поршневого распределения в условиях слабой нелинейности (при малых мощностях излучения). Определены параметры расчета, необходимое количество гармоник, требуемые для обеспечения заданной точности, в зависимости от основной частоты и мощности излучения. Метод успешно применен для решения обратной задачи при использовании реальных полей, полученных экспериментально для круглого фокусированного излучателя диаметром 100мм, фокусным расстоянием 100мм, частотой 1МГц при мощностях до 10 Вт. Создана модель, описывающая распространение в нелинейной дискретной среде оптических бризеров с частотыми близкими к резонансным частотам узлов среды.
госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
# | Сроки | Название |
14 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: Проведенные теоретические и экспериментальные исследования на кафедре позволили получить следующие результаты: На основе полуклассической модели произведено аналитическое описание и создан комплекс программ для расчета следующих физических моделей: распространение малопериодных оптических импульсов в твердых телах и газах; эволюция оптических пучков в конденсате Бозе-Эйнштейна. Для среды с квадратичной нелинейностью создана аналитическая модель генерации второй гармоники оптическим излучением, ограниченным одновременно как в пространстве, так и во времени. Исследовано влияние конкуренции фокусирующих и компрессирующих свойств такого излучения на эффективность энергообмена. Проанализирована возможность формирования временно-пространственных солитонов (оптических пуль). Создана численная модель для решения обратной задачи в условиях аксиальной симметрии для описания дифракционного расплывания волнового пучка в нелинейной среде. Реализация алгоритма проверена на численной модели поршневого распределения в условиях слабой нелинейности (при малых мощностях излучения). Определены параметры расчета, необходимое количество гармоник, требуемые для обеспечения заданной точности, в зависимости от основной частоты и мощности излучения. Метод успешно применен для решения обратной задачи при использовании реальных полей, полученных экспериментально для круглого фокусированного излучателя диаметром 100мм, фокусным расстоянием 100мм, частотой 1МГц при мощностях до 10 Вт. Создана модель, описывающая распространение в нелинейной дискретной среде оптических бризеров с частотыми близкими к резонансным частотам узлов среды. | ||
15 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: | ||
16 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: | ||
17 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: Исследовалось формирование и распространение (2+1)D пространственно-временных оптических солитонов в анизотропных средах, включая волноводы. Предсказан новый класс пространственно-временных «дышащих» солитонных решений для уравнений генерации второй оптической гармоники в (2+1)D средах с аномальной дисперсией. Приближенные аналитические решения в виде световых пуль в однородной среде получены с помощью методов усредненного лагранжиана и годографа. Аналитически исследованы зависимости основных характеристик световых пуль в анизотропных средах от координаты распространения. В отличие от уже известных решений в форме световых пуль, было показано, что в однородной среде все солитонные параметры осциллируют вдоль направления распространения. Аналитически получены критерий устойчивости и выражение для периода осцилляций параметров световой пули. Результаты исследований были обобщены на случай неоднородных сред, мы вывели и физически обосновали систему квазиоптических уравнений, описывающих генерацию второй оптической гармоники в градиентных волноводах. С помощью метода «усредненного лагранжиана» мы получили в приосевом приближении аналитические автомодельные решения. Удалось также выявить возможные режимы распространения импульсов-пучков на основной и удвоенной частотах, которые зависят от конкуренции между фокусирующими свойствами нелинейности и фокусирующими свойствами волновода, а также от критического параметра, учитывающего характерный размер волновода и три характерные длины: нелинейную, дифракционную и дисперсионную. Для математического моделирования изучаемых процессов были использованы нелинейные симметричные разностные схемы. Для их эффективной реализации были разработаны двухэтапные (двухстадийные) итерационные процессы. Доказана консервативность построенных разностных схем. Кроме того, доказаны теоремы сходимости двухэтапных итерационных процессов к единственному решению разностной схемы при переходе на новый слой по направлению распространения излучения. В задачах, связанных с визуализацией акустических полей были проведены эксперименты по широкополосной калибровке приемо-передающего ультразвукового тракта в жидкости с применением метода измерения радиационной силы поля. Она является нелинейным эффектом воздействия волнового поля на поглотитель или рассеиватель и зависит от структуры поля и свойств объекта. Измеряя компоненты радиационной силы (например, балансным методом) и структуру поля некалиброванным приемником удаётся получить значение полной мощности поля, а затем откалибровать приёмник. Проведённые исследования показывают высокую эффективность предложенного метода. В рамках задач по визуализации структур головного мозга и воздействию на них сквозь толстые кости черепа были проведены как модельные расчеты, так и физические эксперименты с фантомами костей черепа. Задача воздействия на мозг с помощью мощного фокусированного ультразвука (УЗ) осложняется необходимостью учёта нелинейных эффектов распространения УЗ волны, что, в свою очередь, накладывает дополнительные требования на точность коррекции аберраций, обусловленными неоднородностями кости черепа, при прохождении УЗ волны. Для коррекции искажений был предложен метод определения профиля кости с помощью высокочастотного сигнала, представляющего собой третью гармонику резонансной частоты излучателя, что позволит провести фазовую коррекцию поля на основной частоте. Работоспособность метода была проверена в экспериментах. | ||
18 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: | ||
19 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: Разработана новая модель возникновения акустической радиационной силы при облучении фокусированным ультразвуковым пучком твердотельных сферических рассеивателей, расположенных в жидкости. Предложен новый подход к созданию систем ультразвуковой визуализации в критических условиях, например, при высокой температуре, в присутствии химически активных сред или повышенных уровней излучения. Разработан новый метод калибровки ультразвуковых приёминков и излучателей, основанный на комбинировании методов акустической голографиии и измерения радиационной силы. Показано, что в анизотропных неоднородных средах c квадратичной нелинейностью (2+1)D и (3+1)D световые пули формируются исключительно благодаря компенсирующему действию фокусирующего волновода в случае нормальной дисперсии. Разработана модель (3+1)D градиентного волновода с параболическим профилем поперечной неоднородности обеспечивающего формирование вихревых солитонов. | ||
20 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: По направлению нелинейная оптика получены следующие результаты: 1) С помощью математического моделирования исследована возможность формирования пространственно-временных солитонов с вихревой структурой в квадратичном объемном волноводе при наличии таких физических эффектов, как линейное и двухфотонное поглощение или усиление. На фоне квадратичной нелинейности, а также дисперсии групповой скорости (ДГС), указанные эффекты способствуют образованию вихревых пуль. Проведено также аналитическое и численное исследование процесса формирования и распространения импульсов-пучков в квадратично-нелинейном планарном волноводе вблизи нуля ДГС на второй гармонике. Данное исследование показало, что отсутствие ДГС на частоте второй гармоники не является препятствием для формирования двухчастотной параметрической световой пули в среде с квадратичной нелинейностью. Найдены режимы стабилизации вихревых пуль. 2) Предложены приближенные аналитические формулы для описания амплитуды и нелинейной фазы оптических квази-солитонов, формирующихся в квадратичной среде с учетом дисперсий второго и третьего порядков, а также линейного и двухфотонного поглощения. Профили интенсивности обеих гармоник, имеющие асимметричную форму, и их фазы при численном моделировании демонстрируют хорошее совпадение с аналитическим видом на трассах распространения порядка десятков дисперсионных длин. 3) Проведено численное моделирование, направленное на исследование зависимости эффективности оптического выпрямления при взаимном влиянии дисперсии второго и третьего порядков. Выявлена возможность формирования двухкомпонентной пули. Это может происходить при ДГС, близкой к нулю, когда оптическая составляющая оказывается квазимонохроматической. Когда мы переходим в область широкополосных оптических импульсов, дисперсия третьего порядка играет отрицательную роль и формирование оптической терагерцовой пули не происходит. Вместо этого генерируемая терагерцовая составляющая отклоняется относительно направления распространения оптической компоненты. По направлению нелинейная акустика получены следующие результаты: 1) Разработан метод аналитического расчёта радиационной силы произвольного акустического пучка на упругую сферу произвольного размера. Этот метод использован при расчёте радиационной силы, оказываемой фокусированным пучком на помещённые в жидкость упругие рассеиватели типа почечных камней. 2) Исследовано направление действия радиационной силы со стороны фокусированного пучка на рассеиватели различных размеров. В случае поперечного смещения рассеивателя в фокальной плоскости радиационная сила поначалу выталкивает рассеиватель от оси, однако затем меняет направление на противоположное, тем самым образую поперечную ловушку для рассеивателя. 3) Найдено точное решение уравнения Гельмгольца для квазигауссовых пучков, которое может быть использовано для расчёта радиационной силы. 4) Показано влияние взаимодействия акустического пучка с боковыми областями рассеивателя на эффективность генерации радиационной силы. 5) Осуществлена характеризация двумерной фазированной ультразвуковой антенной решетки методом широкополосной акустической голографии в области 500 кГц-20 МГц. Результаты были сопоставлены с поэлементными измерениями электрической ёмкости и эхо-импульсных характеристик при отражении от границы раздела вода-твердое тело. Показано, что наличие дефектных областей локализуется наиболее точно при использовании предлагаемого подхода. Помимо этого, акустическая голография при помощи разработанного протокола последовательного возбуждения коротких импульсов позволяет восстановить соответствие номера элемента и номера канала многоканальной приёмо-передающей системы. По результатам работы подготовлена статья для публикации в Акустическом Журнале. 6) Проведено измерение акустических характеристик материалов в широком частотном диапазоне новым методом, основанном на акустической голографии. В результате отработан метод измерений и показана его высокая точность, статья по полученным результатам принята в печать в журнале «Journal of the Acoustical Society of America» 7) Проведено измерение отклонения осей системы микропозиционирования от ортогональности при внесении дополнительного угла механической оси. Результаты подтверждают высокую точность данных измерений, по полученным результатам статья принята в печать в журнале «Известия РАН, Серия Физическая». 8) Методом синтезированного многоэлементного приемника проведена акустическая визуализация объекта, размещенного за алюминиевой твердотельной линзой путем дополнительной коррекции аберраций, вносимых линзой. Получены теневые изображения объекта исследования, по полученным результатам статья принята в печать в журнале «Известия РАН, Серия Физическая» 9) Была создана численная модель, и с помощью метода конечных элементов проведён расчёт распространения акустической волны мегагерцового диапазона через акустическую твердотельную линзу из алюминия, помещенную в жидкий свинец при температуре 450°C. С помощью созданной модели определены оптимальные толщины зеркала для данной системы и угол падения акустической волны, при котором наблюдается полное отражение. 10) Проведён эксперимент по УЗ визуализации рельефа поверхности акустического излучателя мегагерцового диапазона с нанесённым на него контуром из поглощающего вещества с использованием акустической линзы, помещённых в воду при комнатной температуре. Восстановление распределения акустического поля на поверхности излучателя проводилось с использованием метода интеграла Рэлея и метода углового спектра, полученные УЗ изображения сравнивались друг с другом и с фактической поверхностью излучателя. Получено согласование численных расчетов модели с теоретическими данными и экспериментом. 11) Собрана и отлажена связь цифровой камеры и генератора с компьютером на шлирен установки, используемой для оптической визуализации акустических полей и пространственных неоднородностей. | ||
21 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: В задаче формирования заданного пространственно-временного распределения акустического поля в жидкости исследован подход с применением комбинации одноэлементного пьезоэлектрического излучателя и расположенной перед ним системой из двух профилированных твердотельных пластин (фазовых масок). Реализован алгоритм расчета профиля толщины двух твердотельных пластин для формирования заданного распределения в поперечной плоскости на фиксированном расстоянии от излучателя. На основе полученных результатов был изготовлен экспериментальный образец конструкции из двух профилированных пластин, рассчитанных с учетом реальной колебательной скорости поверхности излучателя. Предложен способ многочастотной модуляции системы путем деления фазовой маски на области, каждая из которых рассчитана на определенную частоту. В задаче оптической визуализации акустических пучков предложено применять шлирен-систему в нескольких модификациях, связанных с типом источника света: импульсный или непрерывный. В рамках исследования задач распространения оптических солитонов в неоднородных средах получены следующие результаты: На основе (3D)+1 модели нелинейных связанных уравнений численно изучена возможность устойчивого распространения оптического вихря в квадратично-нелинейном волноводе с учетом линейного и нелинейного поглощения. Показано, что поглощение способствует поддержанию вихревой структуры пучка, предотвращая его распад на несколько невихревых квази-солитонов. Наблюдалось устойчивое распространение «танцующих» двухкомпонентных световых пуль при различных режимах генерации, в том числе и в режиме генерации второй оптической гармоники. Показано, что устойчивые «танцующие» световые пули могут формироваться в квадратичных нелинейных средах из-за сложного баланса между дифракцией, квадратичной нелинейностью и неоднородностью, которая представлена фокусирующим волноводом. | ||
22 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: Были изучены пули в средах с квадратично-кубической нелинейностью, а также малопериодные пространственно-временные локализации. Показано, что в нецентросимметричных средах области устойчивости зависят не только от дисперсии среды, но от интенсивности входного сигнала. При недостаточной входной интенсивности пули не образуются. Если же входная интенсивность слишком велика, происходит коллапс пучка. Уменьшение числа осцилляций под огибающей светового импульса приводит к изменению областей формирования и устойчивости световых пуль. Продемонстрирована возможность формирования двуцветных солитонов как в случае одиночного, так и в случае двойного брэгговского резонанса в брэгговских структурах с дополнительным контуром усиления и поглощения. Выявлены условия синхронизма между взаимодействующими волнами. Исследован процесс генерации широкополосного терагерцового излучения высокоинтенсивным оптическим импульсом длительностью в несколько периодов колебаний. Показано, что при определенных условиях процесс генерации сопровождается формированием устойчивых оптико-терагерцовых солитонов. Показана возможность существенного уменьшения коэффициента отражения плоской акустической волны от пьезопластины путем выбора электрической нагрузки. Полученные результаты могут существенно улучшить разработанный ранее метод определения радиационной сил, действующей на сферические рассеиватели, имеющй недостаток в виде наличия осцилляций значений измеряемой силы в зависимости от расстояния при нахождении рассеивателя в фокальной области излучателя. Предложен метод пространственной коррекции акустических голограмм излучателей, обладающих аксиальной симметрией, который может быть полезен для практического использования при характеризации колебаний поверхности самих излучателей и создаваемых ими полей. Метод позволяет построить голограмму на плоскости, перпендикулярной оси излучателя и центрированной относительно неё, что представляется наиболее удобным для последующего задания граничных условий на поверхности излучателя в задачах численного эксперимента, реконструкции поля и сравнения с данными измерений в координатах излучателя. Показано, что несмотря на то, что приближенный метод коррекции является гораздо более простым в реализации и быстрым в плане расчёта, его использование для источников с широким угловым спектром даже при малых углах наклона плоскости голограммы к оси излучателя может вносить существенные ошибки при реконструкции идеальной голограммы. По результатам работ в рамках разработки методов калибровки приёмников на основе измерений акустических голограмм проведено измерение чувствительности в диапазоне частот 1–3 МГц для гидрофонов двух типов: игольчатого и капсульного. Показано, что метод позволяет измерить чувствительность в диапазоне частот излучения используемого в измерениях пьезопреобразователя. | ||
23 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: Исследована возможность формирования пространственно-временных солитонов (оптических пуль) в связанных квадратично-нелинейных градиентных волноводах в диапазоне нормальной дисперсии групповой скорости. Изучены отражающие свойства активной периодической среды с квадратичной нелинейностью на основе описания генерации второй оптической гармоники в квазиоптическом приближении. Выявлено, что двухчастотная световая пуля, распространяющаяся устойчиво в квазимонохроматическом режиме, при переходе в малопериодный режим изменяет свои основные параметры, но сохраняет возможность устойчивого распространения. Проведены оценки дисперсии второго и третьего порядков, длительностей, интенсивностей сигнала для случая пяти осцилляций под огибающей в анизотропных кристаллах. В микронеоднородных средах дисперсия третьего порядка может быть отрицательной, что способствует формированию двухкомпонентных световых пуль. Показано, что предфокальное электронное смещение фокуса кольцевой решетки из двенадцати колец с различными расстояниями управления электронным фокусом приводит к образованию разрывного фронта в постфокальном лепестке решетки, что может происходить при более низкой мощности решетки, чем та, которая необходима для формирования ударной волны в главном фокусе. В задаче профилометрии фантома черепа с помощью УЗ методов было проведено сравнение двух методов: получение данных путём поэлементного сканирования поверхности в А-режиме, а также с помощью формирования луча с построением изображения в Б-режиме. | ||
24 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: | ||
25 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Нелинейные волновые процессы |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".