XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

 

Устройства, в которых может замедляться электромагнитная волна, хорошо известны. В таких устройствах происходит уменьшение групповой скорости сигнала за счет нелинейных взаимодействий со средой, за счет распространения в периодических структурах [1, 2]. В настоящее время повышенный интерес вызывают среды, в которых возможно замедление световой волны. Особенное внимание исследователей привлекает рез­кое из­ме­не­ние по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния и умень­ше­ние груп­по­вой ско­ро­сти про­ис­хо­дит в ре­зо­нанс­ных сре­дах [3].

Рассмотрим распространение световой волны в среде вблизи резонансной частоты. В соответствии с работой [3] запишем диэлектрическую проницаемость среды:

где - статическая часть диэлектрической проницаемости, _р – плазменная частота, ₁₂ – частота перехода между уровнями резонансной среды, ₁₂ – столкновительная частота.

Групповая скорость сигнала

где  - частота сигнала, k – волновое число.

Введем S – фактор, который определяет относительное изменение групповой скорости из-за резонансного взаимодействия

В результате учета частотной зависимости диэлектрической проницаемости S –фактор записывается в виде

Проведем расчет S – фактора и групповой скорости, чтобы исследовать, как влияет величина затухания, определяемая параметром ₁₂, на групповую скорость сигнала.

На рисунке 1 приведены результаты расчета S – фактора для разных значений ₁₂.

 

S()

/_р

Рис. 1. Частотная зависимость S – фактора. Сплошная кривая: ₁₂=310¹⁴ с^-1, точечная кривая: ₁₂=410¹⁴ с^-1, пунктирная кривая: ₁₂=610¹⁴ с^-1

Как мы видим из графика, существует две области. Одна, в которой S > 0 , это режим медленного света, и другая область, где S < 1 , что соответствует режиму быстрого света(0 < S < 1) или отрицательной групповой скорости(S < 0), что показывает на тот факт что импульс распространяется в противоположном направлении.

Из рисунка 1 видно, что увеличение затухания приводит к тому, что исчезает область с отрицательной групповой скоростью, а также уменьшается область, в которой может наблюдаться замедленная волна.

 

v_g

/_р

Рис. 2. Частотная зависимость групповой скорости. Сплошная кривая: ₁₂=0,510¹⁴ с^-1, пунктирная кривая: ₁₂=110¹⁴ с^-1

На рисунке 2 приведены результаты расчета групповой скорости сигнала в резонансной среде. Хорошо видно, что изменение затухания приводит к существенным изменениям групповой скорости. При этом возможны при определенной частоте очень малые значения групповой скорости вблизи резонанса.

Таким образом, в работе исследовано, как влияет затухание в среде на групповую скорость сигнала. Приведенные результаты можно использовать для расчетов параметров наноструктурированных композитных сред, которые могут использоваться в оптических компьютерах, для создания оптических ячеек памяти, в других устройствах фотоники.

Литература

M. Roussey, F.I. Baida, M.-P. Bernal. Experimental and theoretical observations of the slow-light effect on a tunable photonic crystal // Journal of the Optical Society of America B, Optical Society of America. – 2007. - V. 24 (6). - P.1416-1422.

Remi Faggiani. Resonant nanophotonics : structural slow light and slow plasmons. Other [condmat.other]. Université de Bordeaux, 2016. English. ffNNT : 2016BORD0396 . tel-01525824f

Khurgin, J.B. Slow light in various media: a tutorial //Advances in Optics and Photonics. – 2010. - V. 2. - №. 3. – P. 287-318/

Kali Wilson, Bethany Little, Genevieve Gariepy, Robert Henderson, John Howell, and Daniele Faccio. Slow light in flight imaging //Phys. Rev. -2017. - A 95, P. 023830. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.023830

Xiaorun Zang, Jianji Yang, Rémi Faggiani, Christopher Gill, Plamen G. Petrov, Jean-Paul Hugonin, Kevin Vynck, Simon Bernon, Philippe Bouyer, Vincent Boyer, and Philippe Lalanne. Interaction between Atoms and Slow Light: A Study in Waveguide Design // Phys. Rev. Applied. -2016. -№ 5, P. 024003.

Tomohiro Amemiya, Satoshi Yamasaki, Makoto Tanaka, Hibiki Kagami, Keisuke Masuda, Nobuhiko Nishiyama, and Shigehisa Arai, "Demonstration of slow-light effect in silicon-wire waveguides combined with metamaterials" // Opt. Express/ -2019. – N. 27, P. 15007-15017.

 V L Jacobs, Philip G. Burke, Robert Potvliege, "Liouville-space R-matrix-Floquet description of atomic radiative processes involving autoionizing states in the presence of intense electromagnetic fields"// Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. -2014. N. 47(2), P. 025401. doi:10.1088/0953-4075/47/2/025401

Joseph E. Vornehm, "Photonic Technologies to Enable Slow Light Applications", (2014).

Mark Bashkansky, Zachary Dutton, Fredrik K. Fatemi et al., "Demonstration of bicolor slow-light channelization in rubidium vapor" // Physical Review A. -2007. N. 75(2). - P. 021401, (2007); doi:10.1103/physreva.75.021401

Код для цитирования: Скопировать