30 августа 2014

FDTD моделирование взаимодействия света с фотонно-кристаллическими структурами

Результаты FDTD моделирование процесса взаимодействия плоской электромагнитной волны с глобулярным ФК при накачке его запрещенной зоны

Многие фундаментальные закономерности, описывающие взаимодействие электромагнитного излучения со структурированными оптическими средами, фотонно-кристаллическими структурами, метаматериалами, могут быть изучены при помощи численного решения уравнений Максвелла методом конечных разностей во временной области (finite-difference time-domain - FDTD). Этот метод позволяет исследовать все особенности взаимодействия электромагнитного излучения с фотонным кристаллом (ФК): распространение волны в среде, образование и структуру запрещенных зон, явления локализации оптического поля в объеме и вблизи поверхности ФК, связанные с эффектом структурной фокусировки. Последний эффект приводит к сильной локализации оптического излучения вблизи поверхности кристалла при накачке его запрещенной зоны и имеет фундаментальную значимость, так как присущ не только двумерным и трехмерным ФК, но и акустическим кристаллам, а также квази-кристаллическим структурам различной природы. Он может быть использован для создания новых высокоэффективных сред лазерной физики и нелинейной оптики на базе ФК, а также для разработки методов высокочувствительных спектроскопии.

FDTD моделирование
Пространственное распределение интенсивности в среде, восстановленное на основе результатов FDTD моделирования

Очевидно наличие сильной локализации оптического поля вблизи поверхности ФК, что связано именно с эффектом структурной фокусировки. Необходимо отметить, что структурная фокусировка не может быть предсказана с позиции Блоховской теории взаимодействия света с кристаллом, так как последняя полагает, что волновой фронт, взаимодействующий с ФК, все время остается плоским, в то время как эффект структурной фокусировки связан именно с когерентным искажением волнового фронта.

Результаты исследования поперечных локализованных мод в ФКВ, полученные с помощью FDTD моделирования

Мы видим, что для процессов взаимодействия света с фотонно-кристаллическом волокне (ФКВ) также характерны эффекты локализации оптического поля, которые могут играть важную роль в реализации нелинейных оптических конверсий с помощью ФКВ, в том числе при генерации суперконтинуума.