ИСТИНА

Исследование взаимодействия вещества с ультракороткими лазерными импульсами является одной из наиболее актуальных проблем современной когерентной и нелинейной оптики. При таком воздействии время установления многих резонансных явлений оказывается соизмеримо с длительностью падающего импульса, что создает почву для возникновения принципиально новых нестационарных эффектов. Фундаментальной научной проблемой, на решение которой направлен проект, является теоретическое исследование резонансного рассеяния и поглощение ультракоротких электромагнитных импульсов и/или импульсов с резко меняющейся огибающей макроскопическими частицами в окрестности плазмонных (металлы) или поляритонных (полупроводники и диэлектрики) резонансов высокой добротности. При этом основное внимание будет уделяться нестационарным процессам, связанным с интерференцией нескольких мод, имеющих разную добротность, которая приводит к появлению качественно новых явлений, отсутствующих при стационарном рассеянии. Предполагается развить новые подходы для описания этих явления, основанные как на обобщении существующих методов (таких, как теория связанных временнЫх мод), так и на построении принципиально новых моделей. Ожидаемые результаты проекта включают детальное описание нестационарных резонансов Фано при в различных оптических системах; описание резонансного «сверханомального» рассеяния в конфигурациях core-shell; классификация особых точек и общей топологической структуры ближнего поля при нестационарном резонансном рассеянии; решение задачи о резонансном рассеянии частицей с сильной радиальной анизотропией; определено влияние различных нелинейностей (керровская нелинейность, термооптические эффекты, генерация и нагрев свободных носителей и др.) на характеристики нестационарного резонансного рассеяния; а также выяснение условий возбуждения связных состояний в континууме и их влияния на процесс резонансного рассеяния, и др.

The study of the interaction of matter with ultrashort laser pulses is one of the most appealing problems of modern coherent and nonlinear optics. Under such an impact, the transient time of many resonance phenomena is comparable with the duration of the incident pulse. It creates the grounds for fundamentally new non-steady effects to emerge. The fundamental scientific problem, the project is aimed at, is the theoretical study of resonant scattering and absorption of ultrashort electromagnetic pulses and/or pulses with a rapidly changing envelope by macroscopic particles in the vicinity of plasmon (metals) or polariton (semiconductors and dielectrics) high-Q resonances. The main attention will be paid to unsteady processes associated with the interference of several modes with different Q-factors, which leads to the appearance of qualitatively new phenomena that do not exist during the stationary scattering. It is supposed to develop new approaches to describe these phenomena, based both on a generalization of existing methods (such as the theory of temporal-coupled modes) and on the construction of fundamentally new models. The expected results of the project include a detailed description of unsteady Fano resonances in various optical systems; description of resonant “superanomal” scattering in core-shell configurations; classification of singular points and the general topological structure in the near field zone in unsteady resonant scattering; solving the problem of resonant scattering by a particle with strong radial anisotropy; unveiling of the influence of various nonlinearities (Kerr nonlinearity, thermooptical effects, generation and heating of free carriers, etc.) on the characteristics of transient resonant scattering; clarification of the conditions for the excitation of bound states in the continuum and their influence on the resonance scattering process: etc.

1) Первым шагом в исследовании поставленных задач будет построение и анализ упрощённой теоретической модели на базе связанных гармонических осцилляторов для описания динамики вынужденных колебаний для произвольных возбуждений, допускающая аналитическое исследование. Одновременно с этим будет проведено обобщение метода ТСМ на случай существенно нестационарного резонансного рассеяния. 2) Будут получены соотношения, связывающие параметры разработанных модельных аналитических и полуаналитических подходов с характеристиками задачи рассеяния. Это позволит на основании результатов интегрирования простых модельных задач провести количественное описание динамики, как интегральных характеристик реальной задачи рассеяния (сечений), так и детальной топологической структуры поля внутри частицы и в ближней волновой зоне, включая динамику рождения, движения и аннигиляции различных особых точек. 3) Будет проведено детальное сопоставление результатов, полученных в рамках предложенных аналитических и полуаналитических подходов, с прямым численным интегрированием исходной задачи рассеяния как в линейном, так и нелинейном случае с учетом реальных нелинейностей различного типа, возникающих в оптике (керровская нелинейность, термооптические эффекты, генерация и нагрев свободных носителей и др.) и выяснены пределы применимости и точность разработанных в рамках данного проекта моделей. 4) Будет определена динамика возбуждения неизлучающих (анапольных) мод внутри субволновой частицы и соответствующая динамика изменения топологической структуры ближнего поля при рассеянии как плоской линейно поляризованной электромагнитной волны, так и различных векторных пучков с радиальной и азимутальной поляризацией, что позволит сформулировать критерии и методы селективного возбужденья мод с определённой симметрией и целенаправленно менять в широких пределах пространственно-временную структуру электромагнитного поля как внутри частицы, так и в вне ее, в различных волновых зонах. 5) Для поглощающих частиц будет исследована динамика аномального (оптимального) поглощения как в случае симметричных частиц, так и для частиц произвольной формы и выяснена связь этого процесса с симметрией задачи. 6) Будут исследованы и классифицированы переходные процессы при динамических резонансах Фано в трех различных системах, соответствующих трем основным пространственным реализациям задачи: (а) точечные системы на примере вынужденных колебаний двух связанных гармонических осцилляторов, как линейных, так и с различными типами нелинейности; (б) дискретные распределенные одномерные системы на примере прохождения и отражения волнового пакета от дефекта в дискретной периодической цепочке связанных осцилляторов (одномерный фотонный кристалл) при различных типах дефектов и/или характера взаимодействия в цепочке; (в) распределенные системы – рассеяние ультрокоротких электромагнитных импульсов как отдельной частицей, так и массивом субволновых частиц (так называемыми метаповерхностями) для динамического контроля волнового профиля прошедшей/отражённой волн. Отметим, что качественное отличие случая (в) от случая (б) состоит в учете структуры поля внутри рассеивающих частиц и наличии в двумерных и трехмерных задачах дифракционных искажений поля, приводящих к эффекту «воронки» – концентрации падающего излучения в непосредственной окрестности рассеивающих частиц. На основании сравнительного анализа явления в этих системах будут получены общие закономерности переходных интерференционных процессов как в ближней, так и дальней волновых зонах при разном типе резонансных мод, участвующих в деструктивной интерференции Фано. 7) Будет исследовано явление «сверханомального» рассеяния и поглощения, а также эффект «суперворонки» при резонансном рассеянии электромагнитной волны стратифицированной субволновой частицей типа core-shell. При этих процессах оболочка стратифицированной частицы играет роль дополнительного резонатора, многократно усиливающего эффекты аномального рассеяния, изученные в предыдущих работах авторов, что должно приводить к гигантскому (на несколько порядков величины) возрастанию концентрации электромагнитного поля в ядре частицы. Будут получены зависимости сечений рассеяния, поглощения и экстинкции от параметров задачи. Будет изучена и классифицирована топологическая структура резонансно возбуждаемых полей внутри ядра и оболочки стратифицированной частицы, а также в ближней волновой зоне. Указанные результаты будут получены как для переходных процессов на переднем и заднем фронте лазерного импульса, так и в стационарном случае, который в данной постановке задачи будет рассматриваться как предел соответствующего переходного процесса. 8) Будет решена задача о рассеянии света сферически симметричной частицей с сильной радиальной анизотропией. Предварительный анализ участников проекта показывает, что математически такая задача оказывается аналогична задаче о падении на центр квантовой частицы в потенциале, убывающем как -1/r^2. Задача в принципе не имеет стационарного решения и единственно последовательный подход к ней должен основываться на нестационарном решении уравнений Максвелла. Здесь можно ожидать весьма необычного поведения такого решения, все особенности которого в настоящее время трудно предвидеть даже качественно. 9) Будет проведено обобщение полученных ранее результатов на случай рассеяния нескольких коротких импульсов в средах с нелинейным откликом (керровская нелинейность, термооптические эффекты, генерация и нагрев свободных носителей и др.). 10) Будет выяснена возможность возбуждения короткими импульсами так называемых «связных состояний в континууме», которые не возбуждаются плоской волной. Данные состояний характеризуются гигантской добротностью и требуют дополнительного анализа по эффективности их возбуждения.

Руководитель проекта, проф. М.И. Трибельский является признанным специалистом по волновой и субволновой оптике с международной репутаций и большим опытом работы в этой области. Его первая работа по взаимодействию лазерного излучения с малыми поглощающими частицами была опубликована в 1974 г. С тех пор его работы внесли большой вклад в развитие этой дисциплины. Среди фундаментальных результатов, полученных им за последнее время, можно упомянуть открытие аномального рассеяния и поглощения света; направленные резонансы Фано; гигантскую концентрацию поля в рассеивающих частицах; установление абсолютного верхнего предела парциальных сечений поглощения для рассеивающий частицы произвольной формы и многие другие. Второй участник проекта, к.ф.-м.н. С.Е. Свяховский является молодым специалистом. Тем не менее, он уже имеет сложившуюся репутацию в субволновой оптике, подкрепленную нескольким десятком научных статьями, значительная часть которых опубликована в высокорейтинговых журналах; более 70 докладами на конференциях, в том числе и на наиболее престижных международных и др.

На заключительной стадии проекта на основании анализа и сравнения всех полученных результатов будут выяснены основные закономерности переходных процессов, а также их зависимость от различных параметров задачи, включая определения оптимальных режимов возбуждения высокодобротных резонансов различной природы и возможность целенаправленного изменения в широких пределах характеристик как поля, возбуждаемого в частице, так и поля рассеянного излучения