Например, Бобцов

О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ И ДИСПЕРСИОННОМ РАСПЛЫВАНИИ В ПРОЗРАЧНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ИСХОДНО ОДНОПЕРИОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА

О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ И ДИСПЕРСИОННОМ РАСПЛЫВАНИИ...
УДК 535.135
О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ И ДИСПЕРСИОННОМ РАСПЛЫВАНИИ В ПРОЗРАЧНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СРЕДЕ ИСХОДНО ОДНОПЕРИОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА
Ю.А. Капойко, С.А. Козлов
Получены выражения для скоростей движения центра тяжести и дисперсионного расплывания импульсов, содержащих на входе в волноведущую среду лишь одно полное колебание светового поля. Показано, что для таких предельно коротких по числу колебаний входных оптических импульсов эти скорости прямо пропорциональны дисперсионным характеристикам волновода и обратно пропорциональны квадрату исходной длительности импульса. Ключевые слова: однопериодные импульсы, распространение, дисперсия.
Введение При теоретическом анализе распространения импульсного излучения в волноведущих средах, в которых можно пренебречь изменением поперечной структуры светового пучка, рассматривается деформация формы и фазовая модуляция оптического импульса. Это дает исчерпывающую информацию об изменении его структуры в среде [1]. Когда такой полный анализ является трудоемким или не необходимым, часто ограничиваются рассмотрением изменения в среде интегральных параметров импульса, например, его длительности [2, 3]. Так, в работе [4] получены широко используемые на практике выражения, характеризующие эволюцию в оптических средах среднеквадратичной длительности квазимонохроматических световых импульсов произвольной на входе в среду формы (обзор статей в развитие результатов этой работы можно найти, например, в [2, 3]). Бурное развитие в последние два десятилетия оптики волн из малого числа колебаний [5] привело к необходимости изучения распространения сверхширокополосных импульсов, которые не могут быть рассмотрены в рамках квазимонохроматического приближения. В работе [6] были получены аналитические выражения, описывающие динамику в прозрачных оптических средах средних параметров (центра тяжести и длительности) импульсов без ограничения на их начальную длительность. В настоящей работе показано, что для предельно коротких по числу колебаний однопериодных входных оптических импульсов эти выражения могут быть записаны в виде элементарных функций от характеристик среды и входных параметров импульсов.
16 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)

Ю.А. Капойко, С.А. Козлов

Модель динамики поля импульса в волноведущей среде

В настоящей работе ограничимся простейшей моделью дисперсии эффективного показателя пре-

ломления волноведущей среды

n  = N0 + a1c2 ,

(1.1)

где ω – частота, c – скорость света в вакууме, N0, a1 – константы, характеризующие волноводную и материальную дисперсию оптического волновода. Дисперсии (1.1) соответствует уравнение динамики поля световой волны вида [7]

E z

+

N0 c

E t

 a1

3E t 3

=0,

(1.2)

где E – напряженность электрического поля, z – направление распространения волны, t – время.

Анализ движения средних параметров импульсов, динамика поля которых описывается уравнени-

ем (1.2), проведем для входного импульса вида

E=

E0

t t0

et2 /t02

,

(1.3)

где E0 – амплитуда, t0 – длительность импульса. На рис. 1 иллюстрирован всплеск электромагнитного

поля (1.3), представляющий собой лишь одно его полное колебание, и спектр импульса. Такие однопери-

одные импульсы устойчиво получают, например, в терагерцовом спектральном диапазоне [8, 9].

Е, отн. ед.

g, отн. ед.

–t0 0 t0

t, отн. ед.

0 1/t0 Рис. 1. Поле и спектр однопериодного импульса

, отн. ед.

Движение центра тяжести импульса

Рассмотрим зависимость от координаты z момента распределения поля E первого порядка [10]



t

=

1 W

+
tE 2 dt


,

(2.1)

+
где W = E2dt

– энергия импульса. Найдем

d  t  , для этого продифференцируем (2.1) по z, заменив

 dz

dE из волнового уравнения (1.2) и полагая dz



E

t

± 

0,



nE  t n

t

± 



0,

n



1,

(2.2)

получим

d

t dz



=

N0 c

+

3 2

a1

 

 

E t

2 

dt

.

(2.3)

Используя (1.2) и (2.2), можно показать, что производная (2.3) по координате z равна нулю, т. е.

выражение (2.3) является интегралом движения уравнения (1.2). Тогда можно заменить распределение

поля E на начальное (1.3) и, произведя упрощения, получить для однопериодного на входе в среду им-

пульса выражение для скорости его движения в среде вида

d

t dz



=

1 c

 

N

0



+

9a1c t02

  

.

Эволюция длительности импульса

(2.4)

Под длительностью импульса в работе будет пониматься квадратный корень из центрального момента распределения поля второго порядка [2]

Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)

17

О ДВИЖЕНИИ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ И ДИСПЕРСИОННОМ РАСПЛЫВАНИИ...

τ

=

Δt 2

1/ 2 =

1 W


t




t

2

E

2

dt

1/ 

2



=



t2







t

2 1/2

,

где

(3.1)

 t2

=

1 W

+
t2 E2dt




(3.2)

момент распределения поля второго порядка.

Используя (1.2) и (2.2), можно показать, что первая производная (3.2) по координате z определяет-

ся зависящим от z выражением

 d

 t2 dz



=

2 W

N0 c

+
tE2dt +

6

 W

a1

+ 

t

 

E t

2 

dt

,

а вторая производная (3.2) по координате z определяется выражением

(3.3)

 d 2

 t2 dz 2



=

2N

2 0

c2

+

18 W

a12

+ 

  

2E t 2

2 

dt





12 W

N 0 a1 c

+   

E t

2 

dt

,

(3.4)

причем выражение (3.4) не зависит от координаты z, т. е. является интегралом движения уравнения (1.2).

С учетом (3.1), а также сохранения величин (2.3) и (3.4) при распространении импульса выраже-

ние для квадрата среднеквадратичной длительности импульса можно привести к виду

τ2

=

τ02

+

 



d

 t2 dz



  0

z

+

  

1 2

d2

 t2 dz 2





 

d

t dz

 2 



 

z2

,

(3.5)

при получении которого полагали  t 0= 0 (время, в которое центр тяжести импульса проходит плос-

кость

z

=

0),

а

также

ввели обозначение

τ02

= t 2

1/ 2 0

– длительность импульса на входе в среду.

Для однопериодного на входе в среду импульса скорость дисперсионного расплывания определя-

ется соотношением

1 2

d2

 t2 dz 2





 

d

t dz

 2 

=

1 t04

54a12

.

(3.6)

Заключение

В работе получены выражения для скоростей движения центра тяжести и дисперсионного расплывания импульсов, содержащих на входе в волноведущую среду лишь одно полное колебание светового поля. Показано, что для таких импульсов эти скорости прямо пропорциональны дисперсионным характеристикам волновода и обратно пропорциональны квадрату начальной длительности импульса.
Работа поддержана грантами НШ-5707.2010.2 и РНП 2.1.1/4923.

Литература

1. Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн. – М.: Наука, 1979 – 383 с. 2. Ахманов С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов – М.:
Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. – 312 с. 3. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика – М.: Мир, 1996. – 324 с. 4. Anderson D., Lisak M. Analytic study of pulse broadening in despersive optical fibers // В кн. Physical
Review A (Jan 1, 1987) vol. 35, number 1. 5. Козлов С.А., Самарцев В.В. Основы фемтосекундной оптики – М.: Физматлит, 2009. – 292 с. 6. Барсуков В.С., Карасев В.Б., Козлов С.А., Шполянский Ю.А. Дисперсионное расплывание
фемтосекундных световых импульсов с континуумным спектром // В кн. Оптические и лазерные технологии – СПб: СПбГУ ИТМО, 2001. – С. 11–17. 7. Карпман В. И. Нелинейные волны в диспергирующих средах – М.: Наука, 1973. – 176 с. 8. Крюков П. Г. Фемтосекундные импульсы – М.: Физматлит, 2008. – 208 с. 9. Lee Y.-S. Principles of Teraherz Science and Technology – New-York: Springer, 2009. 10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров – М.: Наука, 1968. – 720 с.

Капойко Юрий Александрович Козлов Сергей Аркадьевич

– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, студент, kapojko@yandex.ru
– Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор физ.-мат. наук, профессор, декан, kozlov@mail.ifmo.ru

18 Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета
информационных технологий, механики и оптики, 2011, № 1 (71)