Нелинейные волновые процессы при генерации сверхкоротких оптических импульсов и взаимодействии сильных оптических полей с веществом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Сергеев, Александр Михайлович

• Сергеев, Александр Михайлович
• доктор физико-математических наук в форме науч. докл.
• 2000

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук в форме науч. докл. Сергеев, Александр Михайлович

Введение, актуальность темы диссертации

Фемтосекундная оптика является одним из наиболее быстро развивающихся направлений современной физики. За последние 20 лет благодаря реализации новых научных идей и стремительному прогрессу оптических технологий граница минимальной длительности излучения, генерируемого в лазерном эксперименте, достигла уровня единиц фемто-секунд, и на повестку дня практически встал вопрос о получении и использовании предельно коротких световых импульсов с длительностью около одного периода оптического поля [1*-3*].

Прогресс в фемтосекундной оптике явился основой для развития другой интереснейшей области - физики сверхсильных полей, исследующей взаимодействие светового излучения с веществом при напряженностях оптических полей, превышающих внутриатомные значения. Экспериментальной базой этих исследований во многих лабораториях мира стали компактные тераваттные фемтосекундные лазерные комплексы на основе твердотельных широкополосных активных сред типа ТкБа (сапфира с ионами титана). С помощью таких источников на сверхкоротких временных интервалах удается создавать состояния вещества с новыми, уникальными свойствами, представляющими интерес для новых приложений в атомной физике, термоядерных исследованиях, физике ускорителей заряженных частиц в исследованиях по короткоимпульсным источникам и лазерам рентгеновского и ультрафиолетового (УФ) диапазонов частот [4*-7*].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нелинейные волновые процессы при генерации сверхкоротких оптических импульсов и взаимодействии сильных оптических полей с веществом»

Актуальность конкретных вопросов, рассматриваемых в первом разделе Гйссертации, обусловлена созданием в начале девяностых годов и широким использованием в современном научном эксперименте твердотельных фемтосекундных генераторов света, основанных на новых механизмах самосинхронизации мод. Изучение физики формирования СК импульсов в таких лазерах на языке теории солитонов в эквивалентных распределенных диссипативных средах, позволяет глубже понять режимы генерации и предельные возможности лазерных систем, являющихся сегодня основой экспериментальной базы фемтосекундной оптики.

Актуальность вопросов, обсуждаемых во втором и третьем разделах работы, связана с тем, что широко исследуемое сейчас в эксперименте взаимодействие мощных фемтосекундных импульсов с газовыми, плазменными и прозрачными конденсированными средами характеризуется новыми нелинейными режимами. В диссертации анализируются, обобщаются и сопоставляются с экспериментом различные модели, описывающие типичные сценарии эволюции СК импульсов при распространении в нелинейных средах с динамическим (существенно нелокальным во времени) характером нелинейного отклика.

Экспериментальные исследования, описанные в четвертом разделе работы, являются актуальными в связи с открытием и изучением новых приложений фемтосекундного излучения при его воздействии на вещество в широком диапазоне интенсивностей от 108 до 1018 Вт/см2. Результаты этих экспериментов демонстрируют уникальные возможности применения фемтосекундных импульсов для микрообработки материалов, создания перестраиваемых источников СК излучения в УФ диапазоне частот и генерации сильнйх кильватерных полей в ускорителях электронов на плазменной волне.

Наконец, актуальность заключительного раздела диссертации объясняется тем фактом, что в настоящее время физика сверхбыстрых процессов вплотную подошла к вопросу о создании когерентных источников суб-фемтосекундного излучения. Экспериментально осваиваемый сегодня диапазон длительностей импульсов в единицы фемтосекунд, соответствующий одному периоду оптического поля, является естественным пределом для используемых методов синхронизации мод в квантовых генераторах света, поэтому для преодоления аттосекундного барьера требуется принципиально новые физические концепции, анализируемые в данной работе.

Цели диссертационной работы

Основной целью диссертации является теоретическое исследование ключевых нелинейных эффектов, лежащих в основе процессов генерации излучения в фемтосекундных'твердотельных лазерах и взаимодействия мощных сверхкоротких импульсов с веществом при распространении в прозрачных нелинейных средах. Описываемые в диссертации экспериментальные исследования имеют целью продемонстрировать, наряду с перспективными приложениями фемтосекундного излучения, правильность понимания физических процессов в рамках изученных в работе теоретических моделей.

Научная новизна работы

1. На основе пространственно-временного подхода к описанию лазерной динамики с учетом самосогласованного поведения гейна усиливающей среды построена и исследована новая модель фемтосекундной генерации в форме диссипативных оптических солитонов и определены критерии существования устойчивых режимов. Для широкополосных усиливающих сред найден новый класс сверхсветовых диссипативных оптических солитонов, балансирующих дисперсию групповой скорости и неконсервативную нелинейность насыщения гейна, в форме ускоряющихся волновых пакетов со стационарным профилем амплитуды во времени и равномерно смещающимся внутри полосы усиления спектральным профилем. Обнаружены и исследованы новые сценарии нелинейной динамики диссипативных оптических солитонов, включая взаимопревращения солитонов различных типов, спектральные автоколебания внутри неоднородной полосы усиления и самонастройку спектров волновых пакетов на частоту нулевой дисперсии групповой скорости.

2. Во временном и спектральном представлениях впервые сформулированы интегральные соотношения для эволюции одномерных волновых пакетов в средах с произвольным инерционным нелинейным откликом и на этой основе дан общий анализ эффектов адиабатического смещения спектров и ускорения оптических импульсов. Обнаружены и исследованы новые сценарии эволюции СК импульсов, такие как одновременное опрокидывание и самосжатие профиля импульса в среде с сильно инерционным нелинейным откликом, радиационное затухание и делокализация солитонов в средах с релаксирующим или осциллирующим нелинейным откликом, формирование устойчивых солитонных структур, локализация которых обусловлена индуцированным оптическим полем дефектом периодической решетки показателя преломления. Впервые показана возможность создания широко перестраиваемых источников когерентного излучения на основе эффекта сильного адиабатического повышения частоты сверхкоротко г« лазерного импульса, производящего ионизацию газа, и определены предельные возможности повышения частоты СК лазерного импульса в схеме ускорителя фотонов на релятивистки сильной ленгмюровской волне.

3. Изучены сценарии пространственно-временных неустойчивостей и коллапсов в трехмерной эволюции СК импульсов в средах с инерционным нелинейным откликом. Впервые обнаружены возможности самоканалиро-вания СК импульсов в присутствии ионизационной нелинейности, обусловленные эффектами стабилизации атомов относительно ударной ионизации в сверхсильном поле, сильного насыщения ионизации либо одновременным действием керровской и ионизационной нелинейностей. Предсказан эффект фрактального коллапса структуры импульса при конкуренции эффектов поперечного и продольного самовоздействия оптического поля в присутствии локальной нелинейности керровского типа.

4. Впервые экспериментально изучена последовательность процессов микромодификации пространственной структуры прозрачных диэлектриков под действием неусиленного излучения фемтосекундного лазера; модификация обусловлена накоплением во времени возмущений показателя преломления среды, и ряд ее особенностей находит объяснение в рамках предсказанных нами эффектов пространственно-временной динамики СК импульсов в средах с инерционным нелинейным откликом. В экспериментах по воздействию мощного фемтосекундного излучения на газовые мишени обнаружен и исследован предсказанный нами эффект синего сдвига гармоник оптического излучения. В экспериментах по возбуждению кильватерной волны в разреженной газовой плазме под действием мощного фемтосекундного излучения впервые измерены плазменные поля большой амплитуды в хорошем соответствии с представленной нами теоретической моделью.

5. Предложена и обоснована концепция генерации когерентного излучения атгосекундной длительности при ионизации атомов мощными оптическими импульсами с быстро нарастающей амплитудой линейно поляризованного поля. Впервые изучена самосогласованная модель, состоящая из волнового уравнения для действительного электрического поля оптического импульса и материального уравнения в форме уравнения Шредингера для волнового пакета электронных состояний невзаимодействующих атомов, описывающая нелинейную трансформацию спектра мощного фемтосекундного импульса с малым числом периодов поля при полевой ионизации газа; в рамках этой модели проанализированы нелинейные процессы генерации сверхкоротких всплесков высоких гармоник оптического поля, ионизационного смещения спектра основной и высоких гармоник излучения, возбуждения сверхширокополосного рентгеновского континуума. Впервые показано, что при ионизации атомов в нарастающем по амплитуде поле мощного фемтосекундного импульса может быть достигуто значительное увеличение эффективности трансформации энергии в рентгеновский диапазон.

Научное и практическое значение работы

Научная важность первого раздела диссертации заключается в демонстрации эффективности пространственно-временного подхода к самосогласованному описанию процессов самосинхронизации мод в фемто-секундных лазерах. Хотя этот подход применялся раньше для анализа процессов в пикосекундных [8*-11*] и фемтосекундных лазерах [2*, 12*], последовательный учет нелинейных и дисперсионных характеристик лазерного резонатора и собственной динамики гейна оказывается принципиальным для описания фемтосекундной генерации. Методологически важно, что в рамках такого подхода удается свести задачу об устойчивых режимах работы квантового генератора СК импульсов к задаче о формировании автосолитонов при распространении импульсов произвольной начальной формы в эквивалентной распределенной диссипативной среде и применить известные из теории нелинейно-волновых процессов способы ее анализа [13]. В частности, использование такой аналогии позволяет детально изучить вопрос об устойчивости режимов генерации и исследовать новые процессы спектральной динамики в фемтосекундных лазерах, такие как самонастройка излучения на частоту нулевой дисперсии групповой скорости и автоколебания распределений поля в спектральном пространстве [5-7]. Практическая значимость разработанной теории состоит в том, что полученные аналитические соотношения для параметров генерации (длительности импульсов, энергии, чирпа) могут быть примененены для оценки и оптимизации работы квантовых генераторов.

Значимость результатов, полученных во втором и третьем разделах диссертации, заключается в демонстрации важности многочисленных нелинейных режимов взаимодействия мощного фемтосекундного излучения с веществом для различных научных и практических приложений.

Явление адиабатического преобразования частоты излучения вверх по спектру при распространении импульса в нестационарной плазме [13*,14*] давно привлекает внимание исследователей в связи с возможностью создания перестраиваемых источников когерентного излучения [15*] или как диагностическое средство для изучения свойств плазмы [16*]. Результат диссертационной работы о возможности сильного (в несколько раз) повышения частоты фемтосекундного импульса, производящего туннельную ионизацию газа, при значительном (десятки процентов) коэффициенте трансформации энергии по спектру [14,15] имеет в связи с этим важное практическое значение. Аналогичный интерес представляют результаты теоретического исследования предельных возможностей повышения частоты СК лазерного импульса в схеме ускорителя фотонов [17*] на релятивистски сильной ленгмюровской волне в зависимости от ее амплитуды и энергии ускоряемого импульса [13,16].

Исследование процессов взаимодействия сфокусированного фемто-секундного лазерного импульса с газовыми мишенями представляет первостепенный интерес для таких приложений, как создание рентгеновских лазеров [18*], генерация высоких гармоник оптического излучения [19*], возбуждение кильватерной волны в плазменных ускорителях электронов [20*]. Проведенный в диссертационной работе анализ пространственно-временной неустойчивости структуры ионизующего лазерного импульса [19,20] позволяет определить условия формирования плазменных образований с гладким профилем и использовать трансформацию спектра излучения при ионизации для их диагностики. Выполненный недавно эксперимент [21*] по детальному изучению рефракции мощного ионизующего фемтосекундного импульса в гелии подтвердил выводы нашей теории.

Изучение возможностей самоканалирования оптического импульса, производящего ионизацию газа, представляет самостоятельный интерес. С научной точки зрения, это разрешение определенного парадокса, поскольку ионизация обычно усиливает рефракцию излучения при фокусировке в газе. С практической точки зрения, самоканалирование приводит к локализации энерговклада и формированию вытянутых областей плазмы, что важно, например, для создания рабочей среды когерентных и некогерентных источников излучения в различных диапазонах длин волн. Изученная нами в [23] модель самоканалирования при одновременном действии иониза-цонной и керровской нелинейностей, нашла подтверждение в экспериментах по наблюдению филаментации мощного фемтосекундного излучения и формированию плазменных каналов с длиной до нескольких сотен метров в атмосферном воздухе [22*]. Другая модель самоканалирования на квазило-кализованной моде в случае насыщения ионизации газа [24,26,39] может быть предложена для объяснения экспериментов [23*] по захвату сверхмощного фемтосекундного импульса в плазменный канал, образующийся в газе низкого давления и имеющий длину, большую рэлеевской.

Научная важность результатов работы [17] заключается в том, что представления о коллапсах как ключевом сценарии волновой динамики в нелинейных средах было распространено на биэволюционные системы с однонаправленной эволюцией по координате распространения СК импульса и времени. С практической точки зрения, здесь можно отметить вывод о возможности сверхкритической самофокусировки СК импульса в средах с инерционным нелинейным откликом.

Научное значение обнаруженного и теоретически изученного нами эффекта "фрактального" коллапса волн при конкуренции процессов поперечной и продольной динамики волнового пакета [28,29] подтверждается экспериментальными результатами, полученными десять лет спустя в работе [24*], где наблюдались режимы однократного и множественного продольного дробления структуры фемтосекундного импульса в оптическом стекле при превышении определенного порога по мощности.

Практическое значение результатов экспериментов по воздействию излучения фемтосекундного лазера на прозрачные диэлектрики [31-34] заключается в том, что были найдены режимы контролируемой микромодификации пространственной структуры вещества, представляющие интерес для записи трехмерной оптической памяти и создания элементов интегральной оптики.

В экспериментах по воздействию фемтосекундного излучения на газовые мишени [35] была продемонстрирована возможность создания перестраиваемого источника СК импульсов в УФ диапазоне частот за счет использования предсказанного нами эффекта адиабатического сдвига гармоник оптического излучения при ионизации атомов [40].

Научное значение экспериментов по возбуждению кильватерной волны в разреженной газовой плазме под действием лазерного импульса [36-38] состояло в том, что впервые было произведено прямое измерение величины и пространственной структуры сильных плазменных полей фемтосекундной длительности, которое подтвердило правильность понимания физических процессов в экспериментальных схемах ускорителей электронов на плазменной врлне.

Научную и практическую значимость имеет разработка представленной в заключительном разделе диссертации концепции создания аттосекундных источников когерентного излучения при ионизации атомов мощными оптическими импульсами [42,43], как одного из возможных путей дальнейшего продвижения в направлении укорочения длительности импульсов в лабораторном эксперименте. Практически значимым является также вывод о том [43], что при ионизации атомов в нарастающем по амплитуде поле мощного фемтосекундного импульса может быть достигуто значительное увеличение эффективности трансформации энергии в рентгеновский диапазон. Этот вывод был подтвержден в экспериментах [25*], где наблюдалась генерация гармоник излучения ТкБа лазерной системы с длительностью импульса 25 фс вплоть до диапазона ^'водяного окна". Методологически важным для понимания физики генерации высоких гармоник при ионизации атомов является сделанный нами вывод о возможности синего сдвига частот гармоник в отклике отдельного атома в отсутствие сдвига частоты возбуждающего поля [44]. Этот результат был подтвержден в последующих работах двух экспериментальных групп [26*,27*].

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВА^

Апробация работы

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались автором на семинарах в ИПФ РАН, МГУ, ИОФ РАН, ГОИ, на научной сессии ООФА РАН, в Станфордском университете, Калифорнийском университете в JIoc Анжелесе, Ливерморской национальной лаборатории, Берклиевской лаборатории им. Лоуренса, Калифорнийском технологическом институте, Техасском университете в Остине, Флоридском университете, Мэриленд-ском университете, Центре исследований по электрооптике и лазерам в Орландо, в Свободном Брюссельском унивеситете, Вюрцбургском университете, Эдинбургском университете, Чалмерсском технологическом университете в Гетеборге, Королевском технологическом институте в Стокгольме, в Центре исследований ядерной энергии во Фраскати (Италия), Институте физики плазмы в Милане, Миланском политехническом институте, в Национальной исследовательской лаборатории RISO (Дания).

Материалы диссертации были представлены в более, чем 25 докладах на следующих международных конференциях: "Strong Microwaves in Plasmas" (Суздаль, 1990), Laser Optics/ICONO (С.-Петербург, 1991, 1995), Международная школа по нелинейным волнам (Нижний Новгород, 1994), "High-Field Interactions and Short-Wave-Length Generation" (С.-Мало, Франция, 1994), "Photonics West" (Лос Анжелес, 1994; Сан Хосе, 1995, 1996, 1998), "Modern Problems of Laser Physics" (Новосибирск, 1995, 1997), "Applications of High-Field and Short-Wave-Length Sources" (Санта Фе, США, 1997), "Laser Interaction and Related Plasma Phenomena" (Осака, 1995), "Generation and Application of Ultrashort X-Ray Pulses" (Пиза, 1995), ), CLEO (Анахейм, 1996; Сан-Франциско, 1998; Балтимор, 1999), Российско-германский семинар по лазерам (Новосибирск, 1997), "Superstrong Fields in Plasmas" (Варенна, Италия, 1997), ICONO (Москва, 1998).

Публикации

Диссертационный материал включает 48 опубликованных автором работ. Из низ 34 статьи в реферируемых изданиях и 14 текстов докладов, вошедших в труды международных конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из пяти разделов и заключения. В первом разделе излагаются основные принципы и изучаются физические модели сверхкороткоимпульсной генерации в твердотельных лазерах. В первом параграфе этого раздела формулируется пространственно-временной подход к описанию фемтосекундной генерации излучения в форме диссипативных оптических солитонов с учетом самосогласованного поведения гейна усиливающей среды. В следующем параграфе изучается устойчивость режимов генерации в базовой модели фемтосекундного источника, описываемой модифицированным уравнением Гинзбурга-Ландау. В третьем и четвертом параграфах исследуются различные сценарии нелинейной динамики лазеров с участием диссипативных оптических солитонов при определяющем влиянии эффектов нелинейного насыщения неконсервативных параметров лазерной системы.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Сергеев, Александр Михайлович

Основные результаты работы.51

Список работ по теме диссертации.54

Цитированная литература.58

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.51