Инерционность колебательного механизма гигантской нелинейности оптических материалов в терагерцовом спектральном диапазоне

Гусельников М.С., Жукова М.О., Козлов С.А. Инерционность колебательного механизма гигантской нелинейности оптических материалов в терагерцовомспектральном диапазоне // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 7. С. 3–12. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-07-03-12

Guselnikov M.S., Zhukova M.O., Kozlov S.A. Inertia of the oscillatory mechanisms of giant nonlinearities of optical materials in the terahertz spectral range  [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 7. P. 3–12. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-07-03-12

M. S. Guselnikov, M. O. Zhukova, and S. A. Kozlov, "Inertia of the oscillatory mechanisms of giant nonlinearities of optical materials in the terahertz spectral range," Journal of Optical Technology. 89(7), 371-377 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000371

Предмет исследования. Инерционность колебательного механизма нелинейности изотропных диэлектрических сред в поле терагерцовых волн как при резонансном, так и при нерезонансном взаимодействии излучения с веществом. Цель работы заключалась в построении динамической модели нелинейного поляризационного отклика оптических сред колебательной природы в поле терагерцовых импульсов и оценке постоянных времени, характеризующих инерционность этого отклика при резонансном и нерезонансном взаимодействии излучения с молекулярными колебаниями среды. Метод. Модель ангармонических колебаний атомов каждой отдельной молекулы в виде осциллятора, в общем случае, как с квадратичной, так и с кубической нелинейностями для изотропной среды приведена для макроскопической оптической характеристики среды — ее поляризованности — к модели в виде системы параметрически связанных уравнений только с кубическими нелинейностями. Параметры данной системы определены по таким известным характеристикам вещества, как коэффициент его теплового расширения, частота валентных колебаний молекул, его показатель преломления и др. Основные результаты. Получены выражения для постоянных времени инерционности кубических восприимчивостей оптических сред с нелинейностью колебательной природы при двух- и однофотонных резонансных взаимодействиях с квазимонохроматическими терагерцовыми импульсами, а также при нерезонансном взаимодействии с широкополосным терагерцовым импульсным излучением через известные из литературы тепловые, спектральные и оптические характеристики материалов. Приведены численные оценки постоянных времени инерционности нелинейных восприимчивостей сред с особо высокой колебательной нелинейностью показателя преломления: α-пинена и воды, а также диоксида кремния. Показано, что для этих материалов постоянные времени инерционности резонансного колебательного механизма их нелинейности в случае излучения терагерцового диапазона спектра составляют сотни фемтосекунд, а при нерезонансном взаимодействии уменьшаются до десятка фемтосекунд и менее. Практическая значимость. Полученные оценки постоянных времени инерционности поляризационного отклика материалов свидетельствуют о том, что их гигантскую нелинейность в дальнем инфракрасном диапазоне спектра можно использовать при разработке сверхбыстрых устройств фотоники для управления параметрами импульсного терагерцового излучения.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 19-02-00154.