ИСТИНА

В рамках Проекта планируется исследовать различные вопросы нелинейного взаимодействия предельно коротких электромагнитных импульсов (ПКИ) с веществом. Данные импульсы состоят из малого числа осцилляций (вплоть до одного). К настоящему времени абсолютные длительности импульсов, полученных в лабораторных условиях, лежат в интервале от нескольких пикосекунд до сотен аттосекунд. Соответствующие таким импульсам широкополосные спектры накрывают диапазон частот от десятых долей терагерца до видимого света, частично захватывая область ближнего ультрафиолета. Будут рассмотрены нелинейные солитонные и солитоноподобные режимы распространения ПКИ в различных средах, включая процессы генерации широкополосных терагерцовых сигналов. В зависимости от спектрального состава импульса и его интенсивности будут предлагаться различные модели сред – от многоуровневых квантовых до эмпирических. При этом будут рассмотрены как переходы между связанными стационарными состояниями атомов и молекул, так и процессы ионизации. Использование аналитических и численных подходов для решения самосогласованных систем материальных и волновых уравнений поможет выявить особенности нелинейной динамики ПКИ в различных условиях. Особое внимание будет уделено выявлению условий, при которых возможно формирование трехмерных устойчивых локализованных пространственно-временных ПКИ в однородных средах и в волноводах, включая одноосные кристаллы, полимеры и системы макромолекул. Кроме того, будут исследованы процессы сверхизлучения квантовых объектов (квантовых точек, ям, нитей, макромолекул и т.д.), обладающих в стационарных состояниях постоянными дипольными моментами. Здесь появляется новая возможность эффективной генерации широкополосного терагерцового излучения. Мы надеемся, что на пути наших исследований сможем предложить новые возможности применения ПКИ в системах передачи и обработки информации, включая волоконную связь.

Within the framework of the Project it is planned to investigate various problems of nonlinear interaction of few-cycle electromagnetic pulses (FCP) with matter. These pulses consist of a small number of oscillations (up to one). Presently absolute temporal durations of pulses obtained in laboratory conditions range in the interval from a few picoseconds to hundreds of attoseconds. The broadband spectra corresponding to the FCP cover the frequency range from tenths of terahertz to visible light, partially capturing the region of the near ultraviolet. Nonlinear soliton and soliton-like propagation modes of FCP in various media, including the generation of broadband terahertz signals, will be considered. Depending on the spectral composition of the pulse and its intensity, various models of media will be proposed - from multilevel quantum to empirical. The transitions between the bound stationary states of atoms and molecules as well as ionization processes will be considered. The use of analytical and numerical approaches for solving self-consistent systems of material and wave equations will help to reveal the features of nonlinear FCP dynamics under different conditions. Particular attention will be paid to the identification of conditions under which three-dimensional stable localized spatiotemporal FCP can be formed both in homogeneous media and in waveguides, including uni-axial crystals, polymers, and systems of macromolecules. In addition, the processes of super-radiation of quantum objects (quantum dots, wells, filaments, macromolecules, etc.) that have permanent dipole moments in stationary states will be investigated. Here a new possibility of efficient generation of broadband terahertz radiation arises. We hope that, along the way of our research, we will be able to offer new opportunities for the application of FCP in information transmission and processing systems, including fiber communication.

В ходе выполнения проекта будут получены результаты, связанные с нелинейным распространением предельно коротких импульсов в различных изотропных и анизотропных диэлектрических средах. Прежде всего это касается солитонных и квазисолитонных режимов распространения. На основе новых физических моделей сред планируется получить новые уравнения и системы уравнений, раскрыть новые механизмы распространения предельно коротких солитонов в спектральном диапазоне от видимых до терагерцовых частот. Мы надеемся, что на этом пути будем способны предложить приложения полученных результатов в системах передачи и обработки информации, а также в системах волоконной связи. Кроме того, будут детально исследованы механизмы нелинейной оптической генерации широкополосного терагерцового излучения при учете эффектов самофокусировки и дефокусировки, включая исследование этих процессов в волноводах, полимерах и макромолекулах. Это позволит выявить возможности пространственно-временной компрессии сгустков терагерцового излучения, что даст возможность его эффективного использования в системах безопасности, медицине, восстановления изображений и т.д. Важными нам также представляются ожидаемые результаты, связанные с коллективным спонтанным излучением ансамблей несимметричных квантовых объектов, обладающих постоянными дипольными моментами. Здесь появляется новая возможность, связанная с генерацией терагерцового излучения, а также с механизмами управления излучением большого ансамбля квантовых частиц, включая квантовые точки, квантовые ямы, макромолекулы.

Исследована генерация широкополосного терагерцового излучения в квадратично-нелинейных кристаллах при наличии в них дополнительных резонансных примесей, обладающих постоянным дипольным моментом. Показано что вклады в интенсивность генерируемого излучения от резонансного и нерезонансного механизмов оптического выпрямления носят неаддитивный характер. Исследованы солитоноподобные режимы распространения широкополосных предельно коротких терагерцовых импульсов в системе туннельных переходов с учетом влияния вышележащих по энергии квантовых состояний. Предсказан новый вид терагерцовых локализованных «пуль» с резко очерченными границами. Предсказан новый тип электромагнитных предельно коротких солитонов терагерцового диапазона, способных формироваться в примесной двулучепреломляющей системе симметричных и несимметричных молекул. Исследовано влияние вынужденного комбинационного саморассеяния на динамику супергауссовых импульсов. Найдена критическая мощность ипульса, определяющая порог самофокусировки. Показано, что для супергауссова импульса величина критической мощности больше, чем для гауссова при тех же исходных параметрах. Для исследования распространения ПКИ в полимерных системах имеется задел по исследованию консервативных и диссипативных нелинейных систем. Исследованы нелинейные модели полимеров, включая микротрубочки. Получены новые типы двухкомпонентных солитонов в компрессионно-крутильной модели спирали полимера. Развита алгебраическая теория возмущений, представляющая собой вариант теории усреднения по быстро меняющимся слагаемым Крылова – Боголюбова –Митропольского. Данная теория позволяет корректно выводить эффективные гамильтонианы систем, подвергающихся воздействию резонансных и нерезонансных полей различной природы в разных условиях, в том числе и рассматриваемых в рамках проекта.