Резонансные аномалии в отражении ограниченных световых сигналов от металлической поверхности при возбуждении поверхностных электромагнитных мод тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РГБ Ой

') п СЕН 19Г"

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

На правах рукописи УДК 621.371.334:537.874.6.535.421

ДОЛГИНА Анастасия Николаевна

РЕЗОНАНСНЫЕ АНОМАЛИИ В ОТРАЖЕНИИ ОГРАНИЧЕННЫХ СВЕТОВЫХ СИГНАЛОВ

ОТ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МОД

Специальность 01.04.05 — Оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений.

Научный руководитель — доктор физико-математических наук П.С.Кондратенко.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук В.В.Капаев (ФИ РАН); кандидат физико-математических наук, доцент А.А.Карабутов (Международный лазерный центр при МГУ).

Ведущая организация — Троицкий институт инновационных и термоядерных исследовании.

Защита состоится 1094 г. в часов

на заседании Специализированного совета Д 041.01.02 Всероссийского научно -исследовательского института оптпко - физических измерений по адресу: 103031 Москва, ул. Рождественка, д. 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно -исследовательского института оптико физических измерений.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

С.В.Тихомиров

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Одним из важных итогов развития лазерной физики последних десятилетий явилось понимание того, что на процессы взаимодействия когерентного излучения с поверхностью конденсированных сред существенное, а в ряде случаев и определяющее, влияние может оказывать резонансное возбуждение поверхностных электромагнитных под. Возникающее при этом усиление полей играет ключевую роль в таких ярких эффектах фотофизики поверхности металлов, как гигантское комбинационное рассеяние света молекулами, адсорбированными на поверхности, п резкое возрастание эффективности гейерации второй гармоники на шероховатой поверхности по сравнению с полированной. Резонансное возбуждение поверхностных мод лежит в основе физического механизма эффекта образования светоин-дуцированных поверхностных периодических структур, результатом которого является значительное усиление поглощательной способности поверхности, приводящее к снижению порогов фотохимических реакций, плавления, испарения и парообразования.

Потребность в достижении больших концентраций энергии побудило экспериментаторов к освоению диапозона сверхкоротких импульсов сильно сфокусированного лазерного излучения. При этом временные и пространственные характеристики световых сигналов могут стать одного порядка или малыми по сравнению, соответственно, с временем жизни и длиной свободного пробега поверхностных мод, п тогда процессы взаимодействия света с поверхностями конденсированных сред, сопровождающиеся резонансными возбуждениями поверхностных электромагнитных мод, требуют проведения специальных исследований.

Все вышеперечисленное служит основанием считать' тему диссертации весьма актуальной и практически важной.

Целью настоящей работы является построение аналитической теории отражения и поглощения ограниченных во времени и пространстве оптических сигналов от неровных металлических: поверхностей в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных мод.

Конкретные задачи, поставленные и решенные в диссертации, заключаются в исследовании специфических особенностей в: - отражении п поглощении ограниченных световых сигналов при нескользящем паденпп на мелкую металлическую решетку;

- отражении при скользящем падении;

- отражении и поглощении от металлической решетки с диэлектрическим покрытием;

- диффузном отражении от шероховатой металлической поверхности.

Основные результаты диссертадии, определяющие ее научную новизну

I. Развита аналитическая теория для описания отражения и логлоще- . ния ограниченного в пространстве и во времени светового сигнала при нескользящем падении на мелкую металлическую решетку.

II. Определены амплитуды полей зеркально отраженного сигнала и сигнала автоколлимации при скользящем падении ограниченного светового сигнала на мелкую металлическую решетку.

III. Построена простая аналитическая теория зеркального отражения и поглощения плоской монохроматической волны при падении на металлическую решетку с диэлектрическим покрытием в условиях резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных мод.

IV. Развита аналитическая теория отражения и поглощения ограниченных световых сигналов при падении на металлическую решетку с диэлектрическим покрытием.

V. Построена аналитическая теория диффузного отражения ограниченных световых сигналов от шероховатой металлической поверхности.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Известный для плоской монохроматической волны эффект полного подавления зеркального отражения (ППЗО) дри нескользящем падении на мелкую металлическую решетку для ограниченных световых сигналов не реализуется, если их длительность т и пространственная ширина Б не являются большими в сравнении, соответственно, с временем жизни Т. и длиной свободного пробега Ь поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). При этом в случае, когда г ~ Т и (или) £) ~ Ь, то происходит существенное искажение временной и (или) пространственной структуры отраженного сигнала по сравнению с падающим.

2. При скользящем падении ограниченного светового сигнала на решетку пространственного искажения отраженнного сигнала как в режиме ППЗО, так и в режиме .автокодлпмации, не происходит. Характерный масштаб временных искажений при определенных условиях

оказывается существенно больше по сравнению с соответствующим масштабом для нескользящего падения. Закон убывания интенсивности послесвечения при этом является степенным.

3. Присутствие на металлической решетке диэлектрического покрытия приводит к дополнительным по сравнению с простой решеткой проявлениям резонансных аномалий в отражении плоской монохроматической волны, включая эффект ППЗО, — за счет возбуждения полноводных мод (ВМ). Отличие резонансных аномалий, вызванных ВМ, состоит п том, что будучи не осложненными близостью аномалий Вуда, они приводят к зависимостям коэффициентов отражения и поглощения от угла падения п частоты, имеющим лоренцевскую форму.

4. Резонанс относительно ВМ на решетке с покрытием приводит к фазовым аномалиям в отраженном сигнале, которые в условиях эффекта ППЗО выражаются в наличии скачка фазы от &о — § при смене знака расстройки резонанса.

5. При падении на решетку с покрытием ограниченных световых сигналов, искажения временной и пространственной структуры отраженных сигналов в условиях, близких к реализации эффекта ППЗО для несущей волны при резонансном возбуждении ВМ, описываются интегральным преобразованием с экспоненциальным ядром.

6. При падении ограниченных световых сигналов на шероховатую металлическую поверхность искажения пространственной и временной структуры за счет резонансного возбуждения ПЭВ происходят в отношении диффузно отраженного сигнала; анизотропия пространственных характеристик при отражении узких по сравнению с длиной свободного пробега ПЭВ определяется ориентацией плоскостей падения и отражения, а также плоскостью поляризации падающего излучения.

7. Сужение падающего пучка до размеров, сравнимых или меньше длины свободного пробега ПЭВ приводит к ослаблению и угловому уширению пика антизеркального отражения от шероховатой металлической поверхности.

Научная и практическая ценность работы заключается в возможности использования ее результатов в целях:

а) построения теории образования периодических поверхностных структур п других фогофпзических эффектов в усдовпях воздействия короткими и пространственно узкими лазерными сигналами;

б) расчетов условий оптимального энерговложения в лазерных воздей-

ствлях;

в) оптимизации процессов ввода оптических сигналов в волноводы применительно к интегральной оптике;

г) разработки конструкции ответвителей ц делителей лазерных сигналов на основе металлических дифракционных решеток.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве состоит в проведении теоретических расчетов, участии в интерпретации и изложении результатов.

Апробашхя работы. Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ВНИИОФИ, на московском семинаре по дифракции и распостранению волн под руководством члена-корреспондента АН СССР Ваинштейна Л.А., на семинаре по статистической радиофизике под руководством члена-корреспондента РАН Рытова С.М., на III Всесоюзной школе по ппкосскунднои технике (г. Ереван, 1988 г.), на V Всесоюзном семинаре «Фотофизика поверхности» (Овсяное, 1989 г.), на VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе в 6 статьях.

Структура II объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав п заключения. Полный объем диссертации составляет 112 страниц принтерного текста, содержит 1С рисунков п библиографию из 100 названий.

Содержание работы

Во введении кратко обоснован выбор темы, основное внимание уделено ее актуальности и анализу современного состояния теоретических и экспериментальных исследований резонансной дифракции оптического излучения на неровных поверхностях металлов; сформулирована цель исследования, охарактеризована научная новизна; изложены основные положения, выносп.мые на защиту и аннотировано содержание диссертации.

В главе 1 исследованы резонансные аномалии в отражении ограниченных пучков импульсного лазерного излучения от мелкой металлической решетки.

В разделе 1.1 вводятся основные соотношения, касающиеся постановки задачи дифракции на мелких металлических решетках, и дан

краткий вывод ее решения для монохроматической плоской волны. Раздел носит вспомогательный характер и не содержит положений, выносимых на защиту. Результаты, полученные другими авторами, представлены в форме, удобной для получения основных результатов диссертации.

Поверхность металла была задала уравнением

где ¡7 — двумерный радиус-вектор на невозмущенной синусоидальным гофром плоской поверхности, г — координата по нормали к ней, д — вектор периодичности решетки, Ь — глубина профиля. Рассмотрение ограничено мелкими решетками, для которых

Электродинамические свойства металла описывались поверхностным импедансом С — С — 'С' (С > 0) С' > 0), удовлетворяющим неравенству <С 1- Падающая на поверхность под углом в к нормали монохроматическая плоская волна с частотой и и волновым вектором к характеризовалась двумя амплитудами вектора напряженности электрического поля — Ер и Е„ отвечающими поляризациям в плоскости падения и перпендикулярно ей соответственно. Отраженное излучение было представлено в виде суперпозиции плоских волн, отвечающих различным дифракционным порядкам I.

Вывод решения задачи проведен с использованием гипотезы Рэлея и импедансных граничных условий Леонтовича. Важной особенностью получающейся таким путем бесконечномерной системы алгебраических уравнений для дифракционных амплитуд является возможность в каком-либо дифракционном порядке возникновения резонанса относительно возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Считалось, что это происходит при ( = 1. В процессе решения указанной системы уранений присутствие резонанса потребовало прибегнуть к модификации обычной теории возмущений по малому параметру (2), позволившей корректно учесть перенормировку резонансного знаменателя. Результат для матрицы зеркального отражения Н.а0 определенной согласно равенству

2 = Ъ вт дт],

(1)

Ьд< 1.

(2)

Е'а ~ Л^а/зЕр, в

где Е'а (а = р, я) — поляризационная амплптуда зеркально отраженной волны, состоит из двух слагаемых, первое из которых отвечает отражению от плоской поверхности, а второе резонансному вкладу, обусловленному возбужденном ПЭВ или граничащих с ними по спектру скользящих волн (СВ), с последующим перопзлучением в зеркальном направлении. Вдали от резонанса второе слагаемое в /?„ ; представляет собой малую поправку и, тогда, как и для плоской металлической поверхности имеет место практически полное отражение^. При подходе к резонансу отражение испытывает резкий спад, который при определенных условиях приводит к полному подавлению зеркального отражения (ППЗО), за счет интерференционной компенсации резонансного и нерезонансного вкладов. При ППЗО практически вся энергия падающей волны переходит в энергию ПЭВ с последующей диссипацией в тепло.

В этом же разделе выведены простые формулы для зависимости энергетического коэффициента зеркального отражения П и поглощения Г в окрестности резонанса. Они проиллюстрированы графиками.

Раздел 1.2 посвящен исследованию характеристик зеркального отражения от мелкой металлической решетки ограниченных в пространстве и во времени когерентных световых сигналов для нескользящих углов падения, когда cos в Здесь ц во всех последующих разде-

лах рассматривались падающие сигналы, поперечный пространственный размер D и временная длительность т которых удовлетворяют неравенствам

А А

-<1, -<1, . (3

D ст

где А — длина волны, с — скорость света. При этом сигнал представляет собой волновой пакет, составляющие которого имеют частоты и волновые векторы близкие частоте wo и волновому вектору к0 несущей волны, что диет возможность представить напряженности электрического поля падающего и отраженного сигналов в том же виде, что и для плоской монохроматической волны, с тем отличием, что поляризационные амплитуды теперь являются не константами, а медленными на масштабе длины волны и периода колебаний функциями координат и времени: Ea{p,t——для падающего и E'a(p, t—'j.) — для отраженного сигнала. Здесь р — двумерный радиус-вектор в плоскости перпендикулярной направлению распространения сигнала, и — координата вдоль этого направления, 1 — время.

Вывод формулы для зеркального отражения проведен на основе метода спектрального разложения, который состоит в следующем. Падающий сигнал представляется в виде суперпозиции монохроматических плоских волн. К каждой из них в отдельности, ввиду линейности задачи, применяется стационарная теория дифракции (раздел 1.1) и, в качестве завершающего этапа, результат подвергается обратному спектральному преобразованию. Установленная связь между амплитудами падающего и отраженного сигналов имеет вид

К t - ^ = ha{Ea(p,,t — - 4¿e2C¿ dt'eM'F(iC2¿t') £ са(3Е0 (р, - vt', t^t'-^}, (4)

где

о'т/4 »-К1» , .

F(iC2s) = + -=-(1 - erf(e-"'4VS»,

2 Qy/ns ¿

. __wo_

2(1 — sin в eos (pi)'

с

v = --—n-(es sin<pi - ep 'cosacostpi),

1—smOcosipi

erf(x) — функция ошибок; ( — перенормированный взаимодействием с решеткой поверхностный импеданс; hp = 1, hs = —1, е = срр = css = cos0sin2^, csp = cps = sinocos ip — угол между векторами q = ко — ñ(ñko) и j; — угол между gi' = <f + ¿7 и g; i?, = es(es '/7) — ep(¿*p 'p]\ ea и ea ' — единичные векторы поляризации, соответственно, для падающего и отраженного сигналов.

Основная особенность формулы (4) состоит в том, что в отличие от случая монохроматической плоской волны связь между амплитудами отраженного и падающего сигналов оказывается не алгебраической, а интегральной. При этом ядро интегрального преобразования является универсальным — не зависящим от вида падающего сигнала. Из (4) следует, что свойственный отражению от решетки монохроматической плоской волны эффект ППЗО для ограниченного сигнала может реализоваться только при условии, что его врементая длительность и пространственная ширина удовлетворяют неравенствам:

т > Т, Ds>'L, (5)

где Т, Ь — модифицированные значения времени жизни и длины свободного пробега ПЭВ, соответственно. При невыполнении хотя бы одного из условий (5) вместо ППЗО происходит значительное искажение временной и (или) пространственной структуры отраженного сигнала по сравнению с падающим. Временное искажение носит характер послесвечения, которое обусловлено переизлучением света резонансно возбужденными поверхностными модами. Пространственное искажение, вызванное той же причиной, соответствует уширению сигнала в направлении волнового вектора поверхностной моды <[\ = <]+<")■ Затухание послесвечения на больших временах при условии <С С" является экспоненциальным, а при ~ (" — обратностепенным.

Более детальный анализ особенностей отражения, а также поглощения ограниченных световых сигналов проведен на основе численных расчетов на ЭВМ, выполненных для конкретной формы сигналов. Результаты представлены в виде графиков.

В разделе 1.3 исследованы особенности отражения ограниченных световых сигналов от металлической решетки при скользящем падении (СП), когда сов0 ¿з |(|. В этом случае сильное взаимодействие с гофрированной поверхностью испытывает не только волна попавшая в резонанс благодаря дифракции, но и падающая, в силу чего эффект ППЗО для плоской монохроматической волны может происходить при глубинах профиля решетки гораздо более мелких, чем при нескользящем падении. Кроме того, при СП возможен еще один эффект — автоколлимации (АК), когда энергия падающего излучения отражается не в зеркальном направлении, а навстречу, падающему лучу.

В разделе получены соотношения для связи между амплитудами ограниченных сигналов в зеркальном направлении в условиях ППЗО и навстречу падающему сигналу в режиме АК, с одной стороны, и амплитудой падающего сигнала — с другой. По своей структуре эти формулы близки к (4). Имеется, однако, и существенное отличие. При невыполнении условий (5) искажение испытывает только временная структура отраженного сигнала. Если (" (', то временной масштаб послесвечения при СП существенно возрастает по сравнению со случаем нескользящего падения. При этом вместо экспоненциального убывания послесвечения имеет место обратностепенноп закон.

Глава 2 посвящена исследованию резонансных аномалий в отражении когерентного света от металлических решеток с диэлектрическим

покрытием.

В разделе 2.1 рассмотрены особенности зеркального отражения плоской монохроматической волны от решетки с покрытием. Электродинамические свойства металлической поверхности, как и ранее, характеризовались поверхностным импедансом (, а слоя диэлектрика — диэлектрической проницаемостью е = е' + ie", причем предполагалось, что

|СШ«1, е"<е' (6)

Задача об отражении монохроматической плоской волны решалась методом, аналогичным изложенному в разделе 1.1. Специфика, возникающая из-за наличия покрытия, состоит в том, что разложение поля внутри слоя по дифракционным порядкам содержит волны, распространяющиеся в обе стороны по отношению к нормали к границе, а также появлении дополнительного граничного условия на плоской границе диэлектрик-вакуум. Последнее выражалось через амплитудные коэффициенты отражения и прохождения для данной границы.

Полученное выражение для матрицы отражения Haß по структуре напомпнает свой аналог для решетки без покрытия. Отличие — в том, что резонансное слагаемое в Raß, наряду с ПЭВ и СВ, учитывает теперь также процессы возбуждения волноводных мод (ВМ), высвечивающихся в зеркальном направлении. Интерференция между резонансным и нерезонансным вкладами, как и для простой решетки, приводит к аномальному поведению отражения, в том числе и к эффекту ППЗО. Диэлектрическое покрытие приводит к заметному расширению возможностей реализации этого эффекта за счет резонанса относительно возбуждения ВМ. Поведение характеристик отражения при резонансе относительно ПЭВ и СВ с незначительными модификациями сводится к случаю решетки без покрытия. Поэтому далее в этой главе сосредоточено внимание на особенностях отражения, которые обусловлены возбуждением ВМ. Рассмотрение ограничено случаем поляризации падающего излучения в плоскости падения и <] || q.

Поведение амплитудного коэффициента зеркального отражения в зависимости от угла падения и частоты в окрестности резонанса дается формулой

Л(б.ы) =/?«»(<?., и;.)Г(Г'~'~Д') + 'Х (7)

где 7 = 2T[vk cos — (1 — ^ sin в) Aw] — безразмерная расстройка резонанса; А.9 = в — 9,, Дш = си — и,; 6t, — значения угла падения и частоты в резонансе; v — групповая скорость ВМ, Т = (Ту' + З^Г1)-1 — время жизни ВМ; TJ1 и Т~1 — соответственно, диссипатнвная и радиационная части затухания ВМ; Л'0^ — коэффициент отражения металлической поверхности с покрытием в отсутствие решетки.

Резонансная аномалия энергетического коэффициента отражения 1Z = .состоит в том, что на кривой зависимости его от рас-

стройки имеется симметричный провал лоренцсвской формы, который при выполнении равенства Тг ~ Tj, отвечающего условию ППЗО, становится равным единице.

Наряду с амплитудными особенностями в отражении процессы резонансного возбуждения ВМ приводят к фазовым аномалиям. Сдвиг фазы р отраженной волны по сравнению с падающей в зависимости от параметра расстройки у ведет себя по разному при различных соотношениях между диссипагивной и радиационной частями затухания ВМ. При Tr > ij кривая ip(-/) является плавной с минимумом и максимумом, при Tr = Tj она испытывает скачок от — | до | в точке у = 0, а при Tr < Td кривая <р(7) является непрерывной и монотонной, изменяясь от <р — 0 при 7 —> оо до р = 2ж при 7 —+ —оо.

В разделе 2.2 исследованы резонансные аномалии в отражении от металлической решетки с покрытием ограниченных световых сигналов. Методом спектрального разложения с использованием результатов предыдущего раздела получено следующее соотношение, устанавливающее связь между медленными амплитудами напряженности поля отраженного и падающего сигналов:

E (p„ - vt', t - t' - -

(8) где

~ v cos 0 _ V = 1-£апве"

С

Гг = Гг(1 - ^sin0),

T = Г(1 - - sinfl). с

Из формулы (8) следует, что при выполнении условий на длительность т и пространственную ширину D падающего сигнала

Т _ vT т » и , ■ |> D » И - • I 9

|1 + »71 |1 +17| >

сохраняется возможность реализации эффекта ППЗО и для ограниченных сигналов. При невыполнении хотя бы одного из них происходит значительное искажение временной и (или) пространственной структуры отраженного сигнала по сравнению с падающим. Отличие от случая решетки без покрытия здесь состоит в том, что затухание послесвечения, обусловленного переизлучением резонансно возбужденных ВМ, всегда происходит по экспоненциальному закону.

В разделе выведена также формула для поглощения энергии ограниченного сигнала, падающего на решетку с покрытием. Закономерности отражения и поглощения проиллюстрированы графиками.

Третья глава посвящена исследованию размерных и временных эффектов в диффузном отражении от шероховатой металлической поверхности.

В разделе 3.1 сформулирована постановка задачи и введены основные соотношения. Отмечено, что возможность возбуждения ПЭВ, допускаемая условиями симметрии на шероховатой поверхности, служит предпосылкой для резонансных аномалий в отражении ограниченных световых сигналов. Профиль поверхности был задан уравнением

г = zt(i]),

(10)

где г, (г}) — случайная функция. Начало отсчета координаты г выбрано таким образом, чтобы удовлетворялось равенство (л»(»7)) = 0, где (...) — символ усреднения по ансамблю реализаций функции г« (17).

Введено понятие корреляционной длины 1С и на его базе из среднего значения от произведения произвольного количества функций 2,(17) с разными значениями аргументов (П) = выделена сла-

бо связанная часть (П)с, распадающаяся на сумму членов, полученных всеми возможными способами разбиения произведения П на пары функций 2,(17), усредненных независимо.

Вместо обычно используемого предположения о гауссовом распределении случайной функции 2,(7/) принято условие малости глубины профиля, эквивалентное (2) для мелкой металлической решетки, а также требование, чтобы корреляционная длина была малой в сравнении с длиной свободного пробега ПЭВ,

1е С Ь. (И)

В разделе 3.2 установлена связь между спектральными компонентами полей отраженного и падающего на шероховатую поверхность сигналов и сформулирована диаграммная техника.

Интегральное уравнение, связывающее компоненты полей отраженного и падающего сигналов получено из условия, чтобы после замены функции профиля (10) на (1) оно перешло в соответствующую ему алгебраическую систему уравнений для мелкой металлической решетки. Удобным инструментом для нахождения средних значений величин, сконструированных из решения упомянутого интегрального уравнения, является «крестовая» диаграммная техника, прототип которой используется в квантовой теории примесных металлов и сверхпроводящих сплавов. Установлено, что при выполнении усреднения, благодаря двум условиям — (11) и неравенству, родственному (2), от среднего значения произведения крестов (каждый из них пропорционален 2,(17)) остается только слабо связанная часть, причем пунктиры, объединяющие независимо усредняемые пары крестов, не должны пересекаться,

В разделе 3.3 исследованы резонансные особенности в отражении от шероховатой поверхности ограниченных оптических сигналов. Показано, что в отличие от периодических решеток процессы резонансного возбуждения ПЭВ в случае шероховатых поверхностей на зеркально отраженной части сигнала не сказываются. Вместо этого они влияют на диффузно рассеянную часть излучения. Учет этого влияния

на интенсивность диффузно отраженного сигнала в заданном направлении Пц — 7(й4,77,г) при падении ограниченного в пространстве и во времени сигнала произведен на основе двух диаграмм, являющихся простейшими представителями класса лестничных и веерных диаграмм. Соответственно, интенсивность представлена в виде суммы существенно разных по своей структуре двух слагаемых

' 1=1^+1® (12)

Часть интенсивности, описываемая слагаемым отличается тем, что по порядку величины она одинакова во всем диапазоне изменения единичного вектора п3, определяющего направление отражения. По сравнению с падающим сигналом, интенсивность характеризуется затяжкой во времени и размазкой в пространстве, причем характерное время затяжки определяется временем жизни ПЭВ Г, а масштаб размазки — длиной свободного пробега Ь = сТ. Если временные искажения во многом аналогичны исследовавшимся в гл. 1 для решеток, то для пространственных — иммется заметное отличие. Для решетки анизотропия пространственных искажений определялась направлением распространения резонансной ПЭВ. На шероховатой же поверхности возбуждение ПЭВ происходит по всем направлениям, и анизотропия задается ориентацией плоскостей падения и отражения, а также поляризацией падающего излучения. При падении сигнала с пространственной шириной Б <С Ь, при условии, что длина корреляции шероховатостей мала по сравнению с длиной волны света, имеет место формула

V . 7 .

где а+ = п + -г=(пп0) -п(п0-рг),

т М

щ = у — единичный вектор поляризации падающего излучения.

Второе слагаемое для интенсивности диффузно отраженного сигнала в (12) отлично от нуля в узком конусе направлений вблизи направления рассеяния назад пв = —щ, соответствуя "антизеркальному" отражению. Для широких падающих сигналов (Б Ь) угловая ширина пика антизеркального отражения имеет порядок 2С'С", гДе С = — ¿£" — перенормированная шероховатостями величина поверхностного импеданса. При Б < Ь пик антизеркального отражения становится менее остронаправленным, имея угловую ширину ~

Кроме того, при этом происходит ослабление самого эффекта, так что его величина стремится к нулю при 2 —* 0.

Особенности поведения обеих частей интенсивности диффузного отражения проиллюстрированы графиками.

В заключение главы установлен критерий, позволивший при рассмотрении пространственно-временных особенностей диффузного отражения пренебречь вкладом более сложных диаграмм. Он соответствует неравенству

< 1. (14)

Основные результаты и выводы

1. Развита аналитическая теория для описания процессов отражения и поглощения ограниченных в пространстве и во времени световых сигналов при нескользящем падении на мелкую металлическую решетку. Получено выражение для интегрального преобразования, связывающего зависящие от пространственных координат и времени медленные амплитуды электрических полей отраженного и падающего сигналов.

Установлено, что известный для плоской монохроматической волны эффект ППЗО для ограниченных световых сигналов реализуется только при условии, что их длительность т и пространственная ширина £> велики по сравнению, соответственно, с временем жизни Т и длиной свободного пробега Ь ПЭВ. Если т ~ Т и (или) Б ~ Ь, то происходит существенное искажение временной и (или) пространственной структуры отраженного сигнала в сравнении с падающим.

2. Вычислены амплитуды полей отраженного излучения при скользящем падении ограниченного светового сигнала в режимах ППЗО и автоколлимации. Показано, что в обоих случаях пространственного искажения отраженного сигнала не происходит. Характерный масштаб временных искажений при определенных условиях оказывается существенно больше соответствующего масштаба для нескользящего падения. Закон убывания послесвечения при этом является степенным.

3. Решена задача об отражении и поглощении плоской монохроматической волны от мелкой металлической решетки с диэлектрическим покрытием. Установлено, что возможность возбуждения волноводных

мод (ВМ) приводит к дополнительным проявлениям резонансных аномалий, по сравнению с решеткой без покрытия, включая эффект ПП-30. Отличие аномалий, вызванных ВМ, состоит в том, что будучи не осложненными близостью аномалий Вуда, они приводят к зависимостям коэффициентов отражения и поглощения, имеющим лоренцев-скую форму.

4. Получены аналитические выражения для амплитуды поля отраженного излучения п поглощения энергии при падении ограниченного светового сигнала на металлическую решетку с покрытием в условиях, близких к реализации эффекта ППЗО для несущей волны при резонансном возбуждении ВМ. Показано, что законы убывания во времени и пространстве амплитуды отраженного сигнала после прекращения действия падающего сигнала построены на основе экспоненциальных зависимостей.

5. Решена задача об отражении ограниченных световых сигналов от шероховатых поверхностей. Установлено, что, подобно зеркальному отражению от решетки, волна, диффузно отраженная от шероховатой поверхности, в случае, когда падающий сигнал имеет длительность, сравнимую или короче времени жизни ПЭВ, л (или) пространственную ширину, сравнимую пли короче длины свободного пробега ПЭВ, испытывает значительные искажения временной и (или) пространственной структуры. Анизотропия пространственных характеристик при отражении узких пучков определяется ориентацией плоскостей падения и отражения, а также плоскостью поляризации падающего сигнала.

Показано, что сужение падающего пучка до размеров сравнимых или меньше длины свободного пробега ПЭВ приводит к ослаблению и ушпрснию пика антизеркалыюго отражения от шероховатой поверхности металла.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Долгпна А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С. Люменесценция при резонансном возбуждении поверхностных электромагнитных волн на металлической дифракционной решетке пикосекундными импульса-мп// Тез. докл. «Третья Всесоюзная школа по пикосекундной технике», г. Ереван , 10-15 мая 1988 г. С.49-50.

2. Долгпна А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С. Аномалии в металлическом отражении при резонансном возбуждении ПЭВ на периодических поверхностях лазерными пучками конечной длительности//

Письма в ЖТФ. 1988. Т.14. Вып.15. С.1371-1375.

3. Долгина А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С., Финкельберг В.М. Особенности отражения коротких лазерных импульсов от металлической поверхности периодического профиля// Тез. докл. V Все-союзн. семинара «Фотофизика поверхности». Овсяное, 11-16 сентября 1989 г. Ленинград, 1989. С. 19.

4. Долгина А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С., Левинский Б.Н. Особенности в отражении при скользящем падении излучения на металлическую решетку// Сб. «Измерения в лазерной технологии и их метрологическое обеспечение»— М.: Изд. ВНИИФТРИ. 1988. С.68-74.

5. Долгина А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С., Финкельберг В.М. Аномалии в отражении и поглощении излучения лазерных пучков конечной длительности периодическими поверхностями металлов// ЖТФ. 1990. Т.60. Вып.6. С.73-78.

6. Долгина А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С. Динамические эффекты в диффузном отражении, индуцированные возбуждением ПЭВ на шероховатой поверхности металла/ / Тез. докл. VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом - JL: Изд. ГОИ. 1990. Т.2. С.150.

7. Долгина А.Н., Ковалев A.A., Кондратенко П.С., Левинский Б.Н. Особенности в отражении, обусловленные импульсным возбуждением ПЭВ при скользящем падении излучения на металлическую решетку// Тез. докл. VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с веществом — Л.: Изд. ГОИ. 1990. Т.2. С.151.

8. Dolgina A.N., Kovalev A.A., Kondratenko P.S. Dimension and Time Effects Caused by Nonlocal Scattering of Laser Radiation from a Rough Metal Surface// Proc. Soc. Photo.-Opt. Instrum. Eng. 1990. V.1440. P.342-353.

9. Долгина A.H., Ковалев A.A., Кондратенко П.С. Размерные и временные эффекты при диффузном отражении лазероного излучения от шероховатой поверхности металла// Известия АН СССР. Сер. физ. 1991. Т.55, N° 7. С.1430-1434.

10. Долгина А.Н., Кондратенко П.С. Резонансные аномалии в отражении от металлической решетки с диэлектрическим покрытием// Письма в ЖТФ. 1992. Т.18, ЛГ°- 22. С.49-52.