Топологические сценарии рождения и аннигиляции сингулярностей поляризации лазерных пучков и импульсов в нелинейных средах и метаматериалах.НИР

The topological scenarios of the creation and annihilation of polarization singularities of laser beams and pulses in nonlinear media and metamaterials

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Топологические сценарии рождения и аннигиляции сингулярностей поляризации лазерных пучков и импульсов в нелинейных средах и метаматериалах.
Результаты этапа: Аналитически и численно показана возможность возникновения сингулярностей поляризации при самофокусировке изначально однородно эллиптически поляризованного светового пучка гауссова типа в керровской среде без частотной и пространственной дисперсии. В случае падения осесимметричного пучка появляющиеся в плоскости поперечного сечения С-линии имеют форму окружностей с центром на его оси. Чем ближе пучок к циркулярно поляризованному, тем ближе к границе среды формируется такая С-линия. При нарушении его аксиальной симметрии возникает область значений координаты распространения, в которой распространяются две пары С-точек типа monstar и star с различными топологическими зарядами. Рост аксиальной несимметричности падающего пучка приводит к увеличению области нелинейной среды, в которой существуют четыре С-точки. Наличие в нем небольшой шумовой составляющей принципиально не влияет на динамику формирования и распространения С-точек. Последнее позволяет надеяться на их экспериментальное обнаружение. Разработан комплекс компьютерных программ для численного моделирования распространения монохроматических эллиптически поляризованных световых импульсов длительностью в сотни наносекунд и более с круговым осесимметричным распределением интенсивности и различным типом распределения поляризации в плоскости поперечного сечения распространяющегося пучка в изотропной фазе нематического жидкого кристалла вблизи температуры перехода в мезофазу. В этой области велика нелокальность нелинейного оптического отклика среды, а зависящее от температуры характерное время релаксации нелинейности может быть меньше длительности импульса. Показано, что вблизи локальных максимумов интенсивности циркулярно поляризованных компонент излучения наблюдается трансформация их фазового профиля, свидетельствующая о формировании кольцевых линий сингулярности круговой поляризации, каждая из которых целиком лежит в одном поперечном сечении пучка. Каждый акт появления такой линии сопровождается качественным изменением в радиальном распределении плотности потока энергии распространяющегося излучения. Установлено, что многофокусная структура поля сохраняется и для пучков эллиптического сечения, распространение которых сопровождается возникновением замкнутых линий сингулярности поляризации. Однако, с увеличением степени вытянутости начального профиля излучения эти линии становятся полностью трехмерными, и образуют в поперечных сечениях пучка точки сингулярностей круговой поляризации с обоими направлениями вращения вектора напряженности электрического поля. Описанные эффекты происходят в широком диапазоне значений начальной степени эллиптичности эллипса поляризации распространяющегося излучения, в том числе, при практически линейно поляризованном входном пучке. Генерация второй гармоники, традиционно считающаяся запрещенной в центросимметричных средах, оказывается возможной при наличии нелокальности нелинейно-оптического отклика вещества или пространственной неоднородности распределения поляризации поля основного излучения. Установлено, что появление сигнала второй гармоники в изотропной хиральной среде может быть связано с нелокальностью или частотной дисперсией квадратичного оптического отклика вещества в случае специальных ограничений на пространственные и временные распределения поляризации в волне основного излучения. Исследования проводились в приближении заданного поля волны основного излучения, параболическом приближении теории дифракции, частотная дисперсия учитывалась во втором порядке. В случае пространственной нелокальности нелинейного оптического отклика вещества для возникновения сигнала на удвоенной частоте необходимо, чтобы импульс основного излучения имел неоднородное в поперечном сечении распределение поляризации или ее сингулярности. В возникающем излучении второй гармоники поляризация меняется в плоскости поперечного сечения не так сильно, как в пучке основного излучения. Сингулярностей поляризации оказывается значительно меньше, при этом поверхностные квадратичные восприимчивости изотропной гиротропной среды практически не меняют число С-точек и место их появления в поперечном сечении пучка на удвоенной частоте. Аналитически продемонстрировано, что для эффективной генерации второй гармоники в среде с локальным, но обладающим частотной дисперсией квадратичным откликом, импульс основного излучения должен быть неоднородно поляризованным не только в пространстве, но и во времени. Примером такого импульса может быть последовательность двух однородно поляризованных во времени импульсов с различным состоянием поляризации, следующих друг за другом с некоторой малой временной задержкой, меньшей длительности каждого из них. Как и в случае среды с нелокальным квадратичным откликом, состояние поляризации сигнального импульса на удвоенной частоте заметно однороднее в пространстве и во времени, чем у импульса основного излучения. Начато исследование возникновения сингулярностей поляризации при самовоздействии света в нелинейном планарном метаматериале, состоящем из двух серебрянных полосок и обладающем сильными дисперсионными свойствами в оптическом диапазоне частот. Примененный способ моделирования позволил с низкими вычислительными затратами добавить в рассмотрение нелинейные эффекты самовоздействия света. Показано, что возникающие в такой структуре плазмонные резонансы приводят к многократному усилению локального поля и высокой чувствительности коэффициента пропускания к интенсивности падающей монохроматической волны. Зафиксирована высокая степень локализации электромагнитного поля в пространстве со сложным неоднородным распределением поляризации.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Топологические сценарии рождения и аннигиляции сингулярностей поляризации лазерных пучков и импульсов в нелинейных средах и метаматериалах.
Результаты этапа:
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Топологические сценарии рождения и аннигиляции сингулярностей поляризации лазерных пучков и импульсов в нелинейных средах и метаматериалах.
Результаты этапа: Даны определения параметров анизотропии, более детально, чем топологические индексы, характеризующих Сt и Lt сингулярности состояния поляризации трехмерного монохроматического электромагнитного поля, величина и направление вектора напряженности которого в каждой точке среды однозначно задают размеры и ориентацию эллипса поляризации в пространстве. Предложен алгоритм построения Сt и Lt линий, в точках которых эллипс поляризация превращается соответственно в окружность или отрезок, и способ визуализации плавного изменения вдоль каждой из них численных значений соответствующих параметров анизотропии. Аналитическое решение задачи о взаимодействии плоской эллиптически поляризованной монохроматической волны с металлическим наносфероидом использовано для построения и анализа структуры Сt и Lt линий, а также характера изменения параметров анизотропии вдоль них. В приближении заданной накачки получены аналитические выражения для электрического поля пучка на суммарной частоте, сгенерированного в объеме изотропной гиротропной среды двумя соосно распространяющимися пучками основного излучения. Показано, что полученное выражение можно интерпретировать как суперпозицию попарных взаимодействий поперечных мод пучков с сингулярностями поляризации на основных частотах, являющихся собственными функциями оператора спинового и орбитального углового момента. Полный угловой момент во всех случаях равен сумме угловых моментов пары взаимодействующих фотонов.

Прикрепленные к НИР результаты

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".