Взаимодействие с квантовыми системами ультракоротких электромагнитных импульсов и особенности их распространения в оптоволокне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Баган, Виталий Анатольевич

• Баган, Виталий Анатольевич
• кандидат наук
• 2013

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Взаимодействие с квантовыми системами ультракоротких электромагнитных импульсов и особенности их распространения в оптоволокне»

Актуальность темы исследования

Последние два десятилетия ознаменовались бурным развитием технологии генерации коротких и ультракоротких электромагнитных импульсов с контролируемой формой и фазовыми параметрами [1]. Был перейден «фемтосекундный рубеж»: получены импульсы длительностью в несколько десятков аттосекунд, что приближается к атомной единице времени (24 ас), которая характеризует временной масштаб атомных процессов. Возникла новая область науки: «аттосекундная физика» [2], одной из важных перспектив которой является возможность наблюдения атомных явлений в реальном масштабе времени.

В дальнейшем под ультракороткими импульсами (УКИ) мы будем понимать электромагнитные импульсы, длительность которых Лг сравнима с периодом колебания поля Г на несущей частоте (или частоте максимума спектра импульса). Характеристические особенности ультракоротких импульсов определяются количеством указанных периодов в импульсе - п=А^Т. В зависимости от величины числа п импульсы подразделяются на мультицикловые (п»\), одноцикловые (и =1) и субцикловые (и<1). Импульсы с длительностью^ 10 будем называть ультракороткими, если же 10<и<50 - короткими.

Важным случаем субцикловых импульсов являются полуцикловые импульсы (п = 0.5), которые впервые были получены экспериментально в работе [3] в терагерцовой области спектра. Метод их генерации основывался на возбуждении лазерным импульсом с длительностью порядка сотни фемтосекунд носителей тока в полупроводниковой пластине, к которой приложено постоянное или импульсное электрическое поле с напряженностью до 10 кВ/см. Носители ускоряются в приложенном напряжении, порождая тем самым импульс электромагнитного поля. Длительность полученного в работе [3] импульса, измеренная по основанию его униполярной части, составляет 1 пс (см. рисунок 1).

При этом спектр данного импульса имеет максимум на частоте 0.5 ТГц и ширину 1.5 ТГц.

Наиболее важной характеристической чертой генерируемого импульса является его практически униполярный характер. Так, асимметрия положительной и отрицательной полярности напряженности электрического поля в распространяющемся терагерцовом импульсе, изображенном на рисунке 1, составляет 13:1.

Time (ps)

Рисунок 1. Форма импульса в далеком инфракрасном диапазоне, полученного при воздействии лазерного импульса на пластинку из GaAs [3]

В статье [4] с помощью полуцикловых импульсов на центральной частоте 1 ТГц длительностью 500 фс осуществлялась ионизация атомов натрия, находящихся в высоковозбужденных (ридберговских) состояниях с главным квантовым числом п>13. Было показано, что ридберговские состояния ионизируются под действием таких импульсов для пикового значения поля, пропорционального энергии связи электронного состояния. В случае относительно длинных микроволновых импульсов скейлинг пикового значения поля имеет вид п"5. Данное различие объяснялось в рамках классической

2-5

механики

Полуцикловые террагерцовые импульсы использовались в работе [5] для генерации нового типа состояний в ридберговских атомах натрия, находившихся в 25<1 состоянии - электронных волновых пакетов и измерения в них распределения вероятности в импульсном пространстве. Возможность такого измерения базировалась на том факте, что длительность полуцикловых импульсов была много меньше характерного времени эволюции волновых пакетов

Одноцикловые импульсы в ближнем инфракрасном диапазоне в оптоволокне на телекоммуникационной длине волны 1.55 нм были получены методом когерентной суперпозиции синхронизованных импульсов с ультрашироким спектром в работе [6] (см. рисунок 2).

Г I

-40 -20 0 20 40 -40 -20 0 20 40

Time (fs) Time (fs)

Рисунок 2. Когерентная суперпозиция двух синхронизированных источников излучения, в результате которой генерируется одноцикловой импульс [6]

Суть данного метода состоит в разделении накачки импульса (на длине волны 1.55 мкм) в результате дисперсии и фазовой модуляции на две спектральные компоненты (солитонную и дисперсионную). Солитонная часть импульса стабилизировалась сама собой путем сдвига в длинноволновую часть спектра. Этот процесс обеспечивал энергией дисперсионную волну, спектр которой смещался в область высоких частот.

Для генерации дисперсионной волны с широким спектром, длительностью 7.8 фс и центральной частотой 1125 нм было использовано нелинейное оптоволокно длиной 4 мм, с нулевой дисперсией групповой скорости на длине

3 1

волны 1357 нм и градиентом дисперсии ß3 =0.81 пс км" . Другое оптоволокно

было оптимизировано для генерации широкополосного солитона на длине волны 1770 нм с длительностью 31 фс во втором ответвлении. Временной джиттер (дрожание) между импульсами в двух ответвлениях составлял всего 50 аттосекунд. Данное значение на два порядка величины меньше периода колебаний на длине волны накачки (1.55 мкм).

Таким образом, путем когерентной суперпозиции двух импульсов в дихроическом лучевом объединителе был синтезирован импульс с длительностью А4.3 фс, что примерно соответствует одному циклу излучения на центральной длине волны 1.55 мкм. Отметим, что спектральный диапазон синтезированного импульса находился в пределах от 900 нм до 2.1 мкм. Меньшая длительность синтезированного импульса объясняется тем фактом, что его спектральная ширина в результате применения вышеописанной методики оказывалась большей, чем спектральная ширина импульса накачки.

В обзоре [7] рассматриваются технологии получения одиночных аттосекундных импульсов, основанные на генерации высоких гармоник с использованием высокоинтенсивных источников мультицикловых лазерных импульсов. Исследовались схемы, использующие оптические, поляризационные и ионизационные затворы.

Генерация одиночных аттосекундных импульсов с помощью малоциклового лазерного импульса может быть достигнута с помощью спектральной фильтрации высокочастотного края спектра гармоник, где он имеет вид горизонтального

плато (см. рисунок 3, АЕхш - спектральная ширина плато в ХЦУ диапазоне). В качестве фильтра высоких частот может быть использована, например, алюминиевая пластинка подходящей толщины.

Напомним, что в предельном случае, когда спектр импульса является постоянной величиной во всем частотном интервале, импульс представляет собой дельта-функцию от времени, т.е. имеет нулевую длительность. Таким образом, спектральная фильтрация высокочастотного континуума, возникающего в

процессе генерации высоких гармоник, позволяет выделить один аттосекундный импульс с наибольшей амплитудой, как это показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Генерация аттосекундных импульсов с помощью малоциклового

лазерного импульса [7] (см. текст)

Уместно отметить, что для измерений с разрешением по времени (time-resolvedspectroscopy) одиночные аттосекундные импульсы очень полезны, поскольку они обеспечивают один изолированный аттосекундный импульс на один лазерный импульс и поэтому могут быть с успехом использованы в "pumpprobe" схемах. Эти схемы предполагают возбуждение системы импульсом накачки (pumppulse) и ее зондирование пробным импульсом (probepulse), в результате чего можно получить важную информацию о динамических свойствах исследуемого объекта. В частности, если речь идет об аттосекундных импульсах достаточно малой длительности, то таким образом можно исследовать динамику атомных электронов в реальном масштабе времени.

Важной особенностью взаимодействия ультракоротких импульсов с веществом является зависимость эффективности этого взаимодействия от фазового сдвига ДфсЕ между огибающей импульса и колебаниями поля на несущей частоте. Указанный сдвиг получил название «фаза несущей по

отношению к огибающей» (по-английски: сагпег-епуеЬрерЬаБе - СЕР) или абсолютная фаза.

Одна первых работ, подтвердивших экспериментально зависимость вероятности светоиндуцированных процессов в поле УКИ от СЕР, является статья [8], в которой наблюдалась модуляция тока внешнего фотоэффекта с золотой пластинки, возникавшая под действием 4 фемтосекундного низкоэнергетичного лазерного импульса на длине волны 750 нм в результате изменения величины СЕР. В данном случае параметр п= 1.6 (число циклов на несущей частоте в импульсе). Авторы цитируемой статьи отмечают, что при возбуждении фототока 10 фемтосекундным лазерным импульсом (п= 4) фазовая модуляция исчезает.

Данный факт подтверждает известное теоретическое положение о том, что в случае длинных (квазимонохроматических импульсов) абсолютная фаза не влияет на вероятность фотоиндуцированных процессов.

Важным практическим вопросом, возникающим при экспериментальной реализации возбуждения вещества ультракороткими импульсами, является способ подведения электромагнитного излучения к мишени (атому, молекуле, наночастице, кластеру). „В работе рассматривается возможность использования для этого конусных световодов, технология создания которых получила значительное развитие в последние годы.

Таким образом, исследование взаимодействия ультракоротких электромагнитных импульсов с веществом и особенностей их распространения в конусном световоде является актуальной темой, важной как с фундаментальной, так и практической точек зрения.

Степень разработанности темы исследования

Различные аспекты взаимодействия двухуровневой системы (ДС) с ультракороткими лазерными импульсами рассматривались в работах [9 - 11] и ряде других статей.

Так, в работе [9] исследовались динамические резонансы, возникающие при возбуждении ДС лазерными импульсами с длительностью 50-200 циклов (периодов колебаний на несущей частоте) в нелинейном режиме. Было, в частности, показано, что эффективные резонансные частоты многофотонных возбуждений ДС сильно возрастают в сверхинтенсивном лазерном поле.

Статья [10] была посвящена исследованию динамики ДС, возбуждаемой субцикловыми лазерными импульсами. Были рассмотрены лазерные импульсы специальной формы: синус- и косинус-импульсы, удовлетворяющие необходимым условиям на распространяющееся поперечное электромагнитное поле, с длительностью несколько фемтосекунд. Проведенный расчет показал, что в рассмотренном случае нет заметной зависимости вероятности возбуждения ДС от фазы лазерного поля.

Фазовый контроль возбуждения ДС под действием коротких лазерных импульсов традиционной гауссовой формы теоретически исследовался в работе [11] в рамках формализма оптического вектора Блоха. Численные расчеты были проведены для сильного электромагнитного поля, когда неприменима теория возмущений. Были установлены пределы применимости приближения вращающейся волны для данной задачи и показано, что существенная фазовая зависимость возбуждения ДС имеет место для достаточно сильных полей в широком интервале длительностей лазерного импульса.

Фотоотрыв электронов от отрицательных ионов короткими и ультракороткими импульсами (УКИ) изучался в недавних работах [12-14]. В первой из цитируемых работ рассчитывалась вероятность фотоотрыва за все время действия импульса с гауссовой огибающей с помощью формулы, полученной в статье [12] в рамках теории возмущений. Был рассмотрен случай одиночных УКИ и серии одинаковых импульсов. Авторы работы [13] делают вывод о перспективности регистрации спектра фотоэлектронов для определения формы УКИ и для прецизионного измерения порога фотоотрыва в случае использования серии УКИ.

В работе [14] фотоотрыв электронов от отрицательных ионов рассчитывался в приближении мгновенного возмущения, когда длительность УКИ предполагалась меньшей всех характерных временных параметров электронов иона. Рассматривался импульс гауссовой формы с произвольным значением амплитуды электрического поля. В заключении авторы указывают на возможность использования фотоотрыва электрона ультракоротким импульсом для определения распределения электронной плотности в начальном состоянии отрицательного иона.

Влияние абсолютной фазы на нормированную вероятность рассеяния УКИ на металлической наносфере исследовалось в работе [15] для гауссовых УКИ. Расчет проводился в спектральном интервале вблизи т.н. плазмонного резонанса, связанного с возбуждением поверхностных плазмонов. Было, в частности показано, что роль фазовых эффектов в рассеянии значительна только для субцикловых импульсов, когда длительность огибающей меньше периода колебаний на несущей частоте.

Недостатком статьи [15] было использование в анализе процесса рассеяния импульсов электромагнитного излучения, спектр напряженности электрического поля которых содержит, вообще говоря, постоянную составляющую. В 3 главе настоящей диссертации этот недостаток устранен путем замены УКИ традиционной гауссовской формы на скорректированный гауссовский импульс.

В ряде работ[ 16-20] взаимодействие УКИ с веществом исследовалось теоретически в рамках применимости приближения внезапных возмущений, когда длительность электромагнитного импульса меньше всех характерных времен системы, с которой происходит взаимодействие. Так, в работе [16] рассматривались различные излучательные процессы (фотовозбуждение, фотоионизация, переизлучение) при воздействии на атом пространственно-неоднородного ультракороткого импульса электромагнитного поля. Были рассчитаны вероятности вышеуказанных процессов, а также спектры и сечения переизлучения на примере водородоподобных и гелиоподобных атомов.

Указывалось, что развитый подход позволяет точно учесть пространственную неоднородность поля УКИ в процессах переизлучения. Перерассеяние УКИ на атомарных и молекулярных анионах рассчитывалось в статье [17] в модели потенциалов нулевого радиуса. В результате проведенного анализа было установлено, что сечения и спектры переизлучения УКИ существенно зависят от энергии сродства и ориентации межъядерной оси по отношению к направлению распространения УКИ. Аналогичная задача решалась в статье [18], в которой также была исследована зависимость вероятности перерассеяния от числа осцилляций поля в импульсе. Взаимодействие УКИ с атомом позитрония анализировалось в работе [19]. Были рассчитаны неупругие процессы и эффекты интерференции. В статье указывалось, что использованная методики применима для импульсов аттосекундной и меньшей длительности. Наконец, в работе [20] исследовались интерференционные эффекты при рассеянии УКИ на многоатомных системах. Достоинством приближения внезапных возмущений, использованного в работах [16-20], является возможность аналитического описания широкого круга радиационных процессов с участием УКИ. К недостатком данного подхода можно отнести тот факт, что он применим для экстремально коротких длительностей УКИ (порядка 1 аттосекунды и меньше), которые в настоящее время еще не получены экспериментально.

Цель работы

Целью работы является теоретическое исследование характеристических черт взаимодействия с квантовыми системами ультракоротких и коротких электромагнитных импульсов в зависимости от параметров задачи и особенностей их распространения в конусном световоде и диспергирующем веществе.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. На основании аналитического и численного подходов (в рамках формализма вектора Блоха) произведен анализ особенностей возбуждения двухуровневой системы короткими и ультракороткими электромагнитными импульсами различной формы.

2. Исследовано фоторазрушение отрицательного иона под действием УКИ, а также спектр возникающих фотоэлектронов.

3. Изучено рассеяние УКИ на сферических наночастицах в диэлектрической матрице.

4. Разработана и проанализирована упрощенная модель распространения электромагнитного излучения в конусных световодах.

5. Исследовано распространение УКИ в диспергирующих средах и оптических волноводах.

Научная новизна работы

1. Впервые исследована зависимость полной вероятности возбуждения двухуровневой системы от длительности УКИ скорректированной гауссовской формы, а также синус- и косинус вейвлет-импульсами. В случае скорректированного гауссовского импульса произведен анализ спектра возбуждения при различных длительностях УКИ.

2. Впервые рассчитано и проанализировано фоторазрушение отрицательного иона под действием УКИ с нулевой постоянной составляющей в спектре импульса.

3. Впервые рассчитано и проанализировано изменение временной зависимости УКИ различной формы при рассеянии на сферических наночастицах в зависимости от длительности импульса и величины несущей частоты, а также исследована полная вероятность данного рассеяния.

4. Впервые, при помощи численного моделирования распространения электромагнитного излучения по конусным световодам, была

предложена оптимизация формы волокна для улучшения лазерных характеристик.

5. Впервые рассчитано и проанализировано распространение УКИ в диспергирующей среде и диэлектрических волноводах.

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы определяется обнаруженными в ходе исследования новыми фундаментальными закономерностями взаимодействия УКИ с различными квантовыми системами.

В частности, особенности возбуждения двухуровневой системы под действием УКИ различной формы носят универсальный характер, существенно отличный от традиционного случая возбуждения длинными импульсами. Двухуровневая система с дипольно-разрешенным переходом представляет собой базовую модель квантового объекта, который реализуется при рассмотрении широкого круга задач радиофизики, спектроскопии, лазерной физики, квантовой электроники, фотоники и других областей физики и техники.

Установлены области изменения параметров задачи, в которых рассеиваемые на сферических наночастицах импульсы сохраняют -свой ультракороткий характер, а квантовый выход излучения имеет максимальную величину.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в атто- и нанофотонике, наноплазмонике, оптоэлектронике, субволновой ультрабыстрой оптической микроскопии, волоконной технике, лазерной физике, квантовой электронике, различных биомедицинских приложениях и смежных областях науки и техники.

Методология и методы исследования

Методология и методы исследования диссертационной работы определяются спецификой поставленных задач и характерным масштабом

величин, определяющих рассматриваемые явления. Так, в ходе анализа вероятности возбуждения двухуровневой системы УКИ умеренной интенсивности, когда для расчета применима квантово-механическая теория возмущений, используется простое аналитическое выражение для полной вероятности процесса, полученное в работе [12]. Данное выражение адекватно описывает вероятность возбуждения вещества УКИ за все время действия импульса через сечение процесса и фурье-образ напряженности электрического поля, когда неприменимо понятие интенсивности излучения и вероятности процесса в единицу времени. В режиме сильного поля, когда теория возмущений неприменима, используется подход, основанный на численном решении оптических уравнений Блоха.

При рассмотрении изменения формы УКИ после его рассеяния на сферической частице используется формализм классической электродинамики, а при вычислении полной вероятности рассеяния применяется квантово-механическая теория возмущений и теория рассеяния Ми.

Анализ распространения УКИ в диспергирующих средах и оптическом волокне базируется на решении уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями.

Положения, выносимые на защиту

1. Зависимость вероятности возбуждения двухуровневой системы ультракоротким электромагнитным импульсом от длительности импульса при ненулевой отстройке 5 несущей частоты импульса от собственной частоты двухуровневой системы представляет собой кривую с максимумом. Положение этого максимума зависит от величины частотной отстройки 5 и, вообще говоря, от ее знака.

2. Спектры возбуждения ДС мощными косинус- и синус скорректироваными гауссовскими импульсами имеют асимметричный характер с небольшим различием в области отрицательных отстроек несущей частоты импульса от

собственной частоты ДС. С ростом амплитуды напряженности электрического поля в низкочастотной области спектра появляются дополнительные максимумы, которые отражают сложную динамику взаимодействия УКИ с ДС в нелинейном режиме.

3. Для коротких и ультракоротких нерезонансных импульсов (п>3) получено простое соотношение между длительностью импульса и относительной отстройкой несущей частоты от резонанса, при выполнении которого вероятность возбуждения ДС имеет максимум.

4. Суменьшением длительности скорректированного гауссового импульса спектр полной вероятности фоторазрушения отрицательного иона сильно отличается от соответствующего спектрального сечения в монохроматическом случае. В частности, для достаточно малых длительностей имеет место сильная зависимость полной вероятности рассеяния от СЕ фазы импульса в низкочастотном диапазоне.

5. При рассеянии УКИ на металлической наносфере в диэлектрике напряженность поля в рассеянном излучении содержит два типа осцилляций. Первый тип отвечает «чистому» рассеянию электромагнитного поля, в то время как второй тип является следствием излучения поверхностных плазмонов, возбужденных на наносфере падающим лазерным импульсом.

6. Для субцикловых рассеиваемых импульсов характер осцилляций электрического поля в рассеянном на наносфере импульсе сильно зависит от знака отстройки несущей частоты от центральной частоты плазмонного резонанса. Для высокочастотных отстроек рассеянный импульс остается ультракоротким, а для низкочастотных отстроек падающий ультракороткий импульс трансформируется в сравнительно длинный рассеянный импульс вследствие эффективного возбуждения излучения поверхностных плазмонов. Напротив, в случае мультицикловых рассеиваемых импульсов излучение поверхностных плазмонов пренебрежимо мало для обоих знаков

частотной отстройки несущей частоты от центральной частоты плазмонного резонанса.

7. В пределе слабонаправляющего световода выведена формула поглощения накачки в активном волокне с двойной оболочкой.

8. Быстрое расплывание фемтосекундного импульса на расстояниях в несколько сантиметров при его распространении в одномодовом цилиндрическом волокне со ступенчатым показателем преломления с учетом дисперсии и затухания.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Высокая степень достоверности диссертационной работы обосновывается, во-первых, использованием последовательных подходов при решении поставленных задач, базирующихся на хорошо апробированных методах квантовой и классической физики.

Во-вторых, на правильных предельных переходах в известные ранее функциональные зависимости при соответствующих значениях параметров. Так, например, полная вероятность возбуждения двухуровневой системы как функция длительности импульса приобретает линейный характер по мере увеличения длительности и уширения спектральной линии перехода.

В-третьих, ряд полученных в диссертации результатов соответствуют (в области пересечения условий задачи) результатам других авторов. В частности, появление дополнительных максимумов в низкочастотной области спектра при возбуждении двухуровневой системы мощными УКИ отвечает результатам работы [9], в которой использовался другой расчетный метод.

Основные результаты диссертации доложены на следующих международных и всероссийских конференциях:

1. Баган В. А., Чаморовский Ю. К., Никитов С. А. «Волоконные лазеры и усилители на основе конусных волокон» 5-ый конкурс научных работ

Института Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова РАН 27 -28 октября 2008г.

2. Баган В. А. «Волоконные лазеры и усилители на основе конусных волокон» 51 научная конференция МФТИ, 28-30 ноября 2008г.

3. Баган В. А., Чаморовский Ю. К., Никитов С. А., Охотников О.Г. «Наноструктурные волконные конусы для активных и нелинейных применений» Международный форум по нанотехнологиям «Роснанотех-2008», 3-5 декабря 2008г., стендовый доклад.

4. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К. «Моделирование конусных волокон с двойной оболочкой» 2-я Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях» г. Москва, 27-29 мая 2009г., стендовый доклад

5. Баган В. А. «Волоконно-оптический датчик тока для учета электроэнергии и анализа ее качества на гидроэлектростанциях» Энергия развития — 2009 г. Москва, 29.06.2009г., устный доклад, Диплом 1 степени

6. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К., Рябко М. В., Охотников О. Г. «Микро- и наноструктурные волокна с большим линейным двулучепреломлением для использования в оптических датчиках» Второй Международный форум по нанотехнологиям «Роснанотех-2009», 6-8 октября 2009г., стендовый доклад, Диплом 2 степени

7. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К., Филиппов В. Н., Керттула Ю., Охотников О. Г. «Моделирование активного конусного волокна с двойной оболочкой» Всероссийская конференция по волоконной оптике 2009, г. Пермь, 8-9 октября 2009г., устный доклад

8. Выступление на научном семинаре в Институте Электроники, Микроэлектроник и Наноэлектроники, г. Лилль, Франция, 7декабря 2009г., устный доклад.

9. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К."Модель распространения и поглощения накачки в конусном световоде" 53-я научная конференция МФТИ, 24-29 ноября 2010г.

lO.Bagan V.A., Astapenko V.A. «Features of excitation of quantum system by ultrashort nonresonance laser pulses» International Conference on Coherent and Nonlinear Optics and the Conference on Lasers, Applications and Technologies ICONO/LAT IWT16, Moscow, Russia, 18-22 June 2013

П.Астапенко В. А., Баган В. А. «Особенности возбуждения двухуровневой системы нерезонансным лазерным импульсом короткой длительности» XX Конференция по фундаментальной атомной спектроскопии, г. Воронеж, 2327 сентября 2013г.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К., Шатров А. Д. Исследование свойств активных оптических конусных волокон с двойной оболочкой//Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55. с. 1234-1242.

2. Баган В. А., Никитов С. А., Чаморовский Ю. К. Волоконно-оптические технологии и их применение в мощных лазерах// Успехи современной радиоэлектроники. 2010. №5. с.65-72

3. AstapenkoV. A., Bagan V. A. Excitation of a quantum system by high-power ultrashort pulses of various shapes // IRAMP. 2012. V.3. pp. 93-102.

4. AstapenkoV. A., Bagan V. A. Change of ultra-short laser pulse shape after scattering by a nanosphere in dielectric matrix // Journal of Modern Optics. 2013. V. 60. pp. 731 -736.

5. AstapenkoV. A., Bagan V. A. Features of excitation of two-level system by short nonresonance laser pulses // Journal of Physical Science and application. 2013. V. 3. pp. 269-277.

6. Астапенко В. А., Баган В. А. Фоторазрушение отрицательного иона ультракороткими электромагнитными импульсами различной формы // Известия Вузов. Физика. 2013.Т.56. №12.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертации получены автором лично либо при его непосредственном участии. Автором были разработаны методы решения поставленных задач, дан аналитический вывод ряда основополагающих формул. Дана физическая интерпретация полученных закономерностей. Проведены численные расчеты и проанализированы их результаты.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения, двух приложений и Библиографического списка литературы. Общий объем диссертации составляет 131 стр.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Баган, Виталий Анатольевич

В заключении приведем основные результаты диссертационной работы.

На основании анализа, проведенного в рамках применимости теории возмущений, установлены следующие специфические черты возбуждения ДС под действием нерезонансных коротких лазерных импульсов скорректированной гауссовой формы.

Зависимость вероятности возбуждения от длительности импульса при ненулевой отстройке несущей частоты от собственной частоты ДС представляет собой кривую с максимумом, положение которого («тах) зависит от величины и,

вообще говоря, знака частотной отстройки S. В пределе малых относительных отстроек зависимость указанного максимума от знака параметра Становится пренебрежимо малой. При этом спектральная зависимость вероятности фотовозбуждения описывается симметричной колоколообразной кривой, максимум которой несколько сдвинут в сторону отрицательных отстроек.

Для субцикловых импульсов, отвечающих большим частотным отстройкам, спектр фотовозбуждения становится асимметричным, затянутым в область положительных значений S, с максимумом, смещенным в сторону малых несущих частот (отрицательных значений параметра S).

Для гауссовского импульса, как скорректированного, так и традиционного, получено аналитическое выражение, корректно описывающее связь величин птах

и 5 для достаточно малых (по модулю) значений относительной частотной отстройки от собственной частоты ДС: |<?| <10%, при этом «тах > 3.

Показано, что в рассматриваемом случае применимости теории возмущений существенная зависимость вероятности возбуждения ДС от СЕР имеет место только для субцикловых импульсов с длительностью п < 0.3. Фазовая зависимость возрастает с ростом относительной частотной отстройки S, при этом вероятность возбуждения ДС косинус-импульсом превосходит аналогичную величину для синус-импульса.

При выполнении резонансного условия со = ¿у21 функция (п) в пределе

ультракоротких длительностей лазерного импульса возрастает с ростом параметра п нелинейно. Линейный режим возбуждения, характерный для длинных лазерных импульсов, наступает при выполнении неравенства (1.17).

В непертурбативном режиме с помощью численного решения системы уравнений для компонент оптического вектора Блоха проанализирована зависимость населенности верхнего уровня двухуровневой системы после окончания УКИ для различных значений параметров задачи: значения СЕ фазы, длительности импульса, величины параметра электрон-фотонной связи и времен релаксации.

Рассмотрено действие двух типов ультракоротких импульсов: скорректированного гауссовского и вейвлет-импульсов, у которых отсутствует фурье-образ напряженности электрического поля на нулевой частоте.

Показано, что (в случае скорректированного гауссовского импульса) заметная зависимость асимптотической населенности верхнего уровня ДСот СЕ фазы имеет место только для субцикловых импульсов при достаточно большой величине параметра электрон-фотонной связи.

Спектры возбуждения ДС мощными (параметр электрон-фотонной связи = 1) косинус- и синус скоррективоваными гауссовскими импульсами имеют асимметричный характер с небольшим различием в области отрицательных отстроек несущей частоты импульса от собственной частоты ДС. С ростом параметра электрон-фотонной связи от малых значений до единицы в низкочастотной области спектра появляются дополнительные максимумы, которые отражают сложную динамику взаимодействия УКИ с ДС в нелинейном режиме.

Анализ зависимости населенности верхнего уровня ДС от длительности скорректированного гауссовского импульса показал, что увеличение электрон-фотонной связи приводит к осциллирующей зависимости населенности верхнего энергетического уровня от числа циклов в импульсе как в случае точного

резонанса, так в нерезонансном случае. Аналогичные результаты имеют место и при возбуждении ДС вейвлет-импульсами с той лишь разницей, что для последних отсутствует понятие резонанса.

Проведенный расчет асимптотической населенности верхнего уровня ДС, возбужденного скорректированным гауссовским импульсом как функции его длительности для различных времен релаксации при малых значениях параметра показал, что в отличии от результата теории возмущений функция N2(11) (населенность верхнего уровня ДС) не выходит на линейную зависимость в пределе малых времен релаксации, что можно объяснить уменьшением населенности нижнего уровня ДС в ходе возбуждения.

В рамках теории возмущений рассчитаны и проанализированы зависимости полной вероятности фоторазрушения отрицательного иона лития под действием УКИ различной формы, длительности, несущей частоты, а также спектры фотоэлектронов, возникающие в результате фотоотрыва. Рассмотрены два типа импульсов: скорректированный гауссовский и вейвлет импульсы, а также соответствующие им синус и косинус импульсы.

Показано, что с уменьшением длительности скорректированного гауссовского импульса спектр полной вероятности фоторазрушения отрицательного иона сильно отличается от соответствующего спектрального сечения в монохроматическом случае. В частности, для достаточно малых длительностей имеет место сильная зависимость функции 1Урк(<а) от СЕ фазы

импульса в низкочастотном диапазоне.

Исследована зависимость полной вероятности фотоотрыва от длительности скорректированного гауссовского импульса для различных несущих частот. Показано, что с ростом несущей частоты от допороговых значений к запороговым форма кривой \¥рИ (г) изменяется от кривой с максимумом для ксо < е1к, имеющей

нулевую асимптотику в пределе т->ж, до функции, линейной по г в том же пределе.

Полученные зависимости ^(г) для синус и косинус вейвлет импульсов демонстрируют большую эффективность фотоотрыва в случае косинус импульса за исключением области малых параметров т< 1 фс. В пределе больших длительностей отношение вероятностей для косинус и синус импульса возрастает как т2, однако величина полной вероятности при этом стремится к нулю.

Спектр фотоэлектронов при воздействии на отрицательный ион скорректированного гауссовского импульса с длительностью т> 1 фс на несущей частоте, выше пороговой, практически не зависит от СЕ фазы. Фазовая зависимость спектра проявляется для достаточно коротких импульсов т< 1 фс на околопороговой несущей частоте и для малых энергий фотоэлектронов.

При фоторазрушении отрицательного иона вейвлет-импульсами спектр фотоэлектронов может существенно зависеть от косинус или синус формы. Эта зависимость возрастает с ростом длительности импульса и увеличением энергии фотоэлектрона.

На основе полученных в 3 Главе выражений с использованием теории Ми проведен расчет вероятности и квантового выхода рассеяния УКИ специальной формы - синус- и косинус- вейвлет импульсов на серебряной наносфере, помещенной в стеклянную матрицу.

Показано, что для заданного радиуса наносферы (40 нм) максимум вероятности рассеяния отвечает следующим значениям параметра гтах: 0.45 фс для косинус-импульса и 0.36 фс для синус-импульса, причем величина вероятности рассеяния в максимуме для косинус-импульса примерно в полтора раза больше аналогичной величины для косинус-импульса. С уменьшением радиуса наносферы оптимальное значение длительности, при котором вероятность рассеяния максимальна, уменьшается.

Зависимости квантового выхода рассеяния от длительности импульса и радиуса наносферы подобны. В первом случае они представляют собой кривые с пологим максимумом в диапазоне от 0.5 до 1 фс (для радиуса сферы 40 нм). Во втором случае квантовый выход монотонно возрастает с ростом параметра г5, при

этом величина квантового выхода рассеяния несколько больше для косинус-импульса особенно в диапазоне ^ « 20 н- 60 нм (для г = 1 фс).

Вычисления, проведенные для рассеиваемого скорректированного гауссового импульса, позволили проанализировать характер осцилляций напряженности электрического поля после рассеяния на металлической сфере в диэлектрике как для субцикловых, так и для мультицикловых импульсов.

Вычисления показали, что основной чертой напряженности электрического поля в рассеянном импульсе является присутствие в нем двух типов осцилляций. Первый тип отвечает «чистому» рассеянию электромагнитного поля, а второй возникает вследствие возбуждения плазмонов на поверхности металлической наносферы, возбужденных падающим на нее импульсом.

Установлено, что в случае четвертьциклового рассеиваемого импульса рассеяние приводит к изменению формы импульса, которая трансформируется из симметричной (косинус-импульс) в асимметричную форму, как для резонансных, так и для нерезонансных несущих частот.

Напротив, рассеяние одноциклового импульса на нерезонансной несущей частоте не изменяет форму импульса. В то же время рассеяние резонансного одноциклового импульса приводит к полному изменению его формы, так что ультракороткий импульс трансформируется в относительно длинный рассеянный импульс.

Численный анализ показывает, что в случае субцикловых импульсов характер осцилляций напряженности электрического поля в рассеянном импульсе сильно зависит от знака отстройки несущей частоты импульса от частоты плазмонного резонанса. Для высокочастотных отстроек рассеянный импульс остается ультракоротким, в то время как для низкочастотной отстройки падающий ультракороткий импульс превращается в относительно длинный рассеянный импульс вследствие эффективного возбуждения излучения поверхностных плазмонов. В случае же мультициклового импульса излучение поверхностных плазмонов пренебрежимо мало для обоих знаков отстройки несущей частоты от центральной частоты плазмонного резонанса.

На основе упрощенной теории поглощения накачки в конусном волокне была написана программа в среде программирования МаНаЬ. Экспериментальный волоконный конус с реально измеренной зависимостью диаметра от длины разбивался на большое количество малых участков, каждый из которых представлялся в виде линейного конуса со своим собственным углом наклона. В ходе работы был промоделирован «начальный образец», а затем его характеристики были аналитически улучшены. После этого был создан «оптимизированный образец» с заранее промоделированными характеристиками. При экспериментах с начальным образцом в лазерной схеме с большой мощностью (свыше 700 Вт) произошло необратимое разрушение образца на расстоянии около 4 м от начала, что полностью соответствует компьютерному моделированию. При замене начального образца на оптимизированный аналогичного разрушения не наблюдалось. Также была улучшена форма «оптимизированного образца» по сравнению с «начальным» для увеличения интегрального поглощения в волокне.

Рассчитано и проанализировано распространение УКИ в однородной диспергирующей среде и слабонаправляющем оптическом волноводе. Для однородной среды во втором порядке теории дисперсии получено аналитическое выражение для динамики распространения электромагнитного импульса. При распространении УКИ в оптическом волоконе в одномодовом режиме показано быстрое расплывание фемтосекундного импульса на расстояниях в несколько сантиметров.

Выводы и результаты диссертационной работы рекомендуются для использования в следующих научных и образовательных учреждениях Российской Федерации: МГУ, МФТИ, СпбГУ, МИФИ, ПомГУ, НИИ Полюс, РНЦ «Курчатовский институт», ИХФ РАН, ВГУ, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, НГУ и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баган, Виталий Анатольевич, 2013 год

1. Horvath В., "Generation, characterization and sub-cycle shaping of intense, few-cycle light waveforms for attosecond spectroscopy," Munich, Dissertation 2009.

2. Krausz F., Ivanov M. Attosecond Physics // Reviews of Modern Physics. 2009. Vol. 81. pp. 163-224.

3. You D., Jones R. R., Bucksbaum P. H., Dykaar D. R. Generation of high-power subsingle-cycle 500-fs electromagnetic pulses // Opt. Lett. 1993. Vol. 18. pp. 290-292.

4. Jones R. R., You D., Bucksbaum P. H. Ionization of Rydberg atoms by subpicosecond half-cycle electromagnetic pulses // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 70. pp. 1236-1239.

5. Jones R.R. Creating and probing electronic wave packets using half-cycle pulses // Phys. Rev. Lett. 1993. Vol. 76. pp. 3927-3930.

6. Krauss G., Lohss S., Hanke T. et al. Synthesis of a single cycle of light with compact erbium-doped fibre technology // Nature Photonics. 2010. Vol. 4. pp. 3336.

7. Altucci C., Tisch J. W. G., Velotta R. Single attosecond light pulses from multicycle laser sources //Rev. Mod. Phys. 2011. Vol. 58. pp. 1585-1610.

8. Apolonskii A., Dombi P., Paulus G. G. et al. Observation of light-phase-sensitive photoemission from metal // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 92. pp. 073902-1- 0739024.

9. Bordyug N. V., Krainov V. P. Dynamic resonances in ultra-short laser pulses // Laser Physics Letters. 2007. Vol. 4. pp. 418-420.

10. Bordyug N. V., Krainov V. P. Dynamics of two-level systems irradiated by sub-one-cycle laser pulses // Laser Physics Letters. 2007. Vol. 4. pp. 674-677.

11. Arustamyan M.G., Astapenko V.A.. Phase control of the excitation of a two-level system with short laser pulses // Laser Physics. 2008. Vol. 18. pp. 768-773.

12. Astapenko V.A. Simple formula for photoprocesses in ultrashort electromagnetic field // Physics Letters A. 2010. Vol. 374. pp. 1585-1590.

13. Головинский П. А., Дробышев А. А. Фотоотрыв электрона коротким импульсом // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 38. С. 37-44.

14. Головинский П. А., Дробышев А. А. Отрыв электронов от отрицательных ионов водорода и лития ультракоротким лазерным импульсом // ЖТФ. 2013. Т. 83.С. 8-14.

15. Астапенко В. А. Рассеяние ультракоротких лазерных импульсов на металлических наночастицах // Прикладная физика. 2011. Т. 3. С. 5-11.

16. Матвеев В. И. Излучение и электронные переходы при взаимодействии атома с ультракоротким импульсом электромагнитного поля // ЖЭТФ. 2003. Т. 124. С. 1023-1029.

17. Есеев М. К., Матвеев В. И., Юлкова В. М. Перерассеяние ультракороткого импульса на атомарных и молекулярных анионах в модели потенциалов нулевого радиуса // Оптика и спектроскопия. 2011. Т. 111. С. 360-363.

18. Есеев М. К., Матвеев В. И., Юлкова В. М. Взаимодействие аттосекундного импульса с отрицательными атомарными и молекулярными ионами // ЖТФ. 2012. Т. 82. С. 130-133.

19. Есеев М. К., Матвеев В. И. Неупругие процессы и эффекты интерференции при взаимодействии позитрония с ультракороткими импульсами электромагнитного поля // ЖЭТФ. 2013. Т. 144. С. 943-950.

20. Макаров Д. Н., Матвеев В. И. Эффекты интерференции при переизлучении ультракоротких импульсов электромагнитного поля многоатомными системами // ЖЭТФ. 2013. Т. 144. С. 905-913.

21.Morgner U. Ultrafast optics: Single-cycle pulse generation // Nature Photonics. 2010. Vol. 4. pp. 14-15.

22. Qiang Lin, Jian Zheng, Becker W.. Subcycle pulsed focused vector beams // Physical Review Letters. 2006. Vol. 97. pp. 253902-1^1.

23.Astapenko V.A. Interaction of ultrashort electromagnetic pulses with matter. Heidelberg: SpringerBriefs in Physics, 2013. 94 pp.

24. Gets A.V., Krainov V.P.. Ionization of atoms by attosecond pulses // Contribution to Plasma Physics. 2013. Vol. 53. pp. 1-8.

25. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. М.: Физматлит, 2003. 534 с.

26. Golovinski P. A., Mikhailov Е. М. Scattering of ultrashort laser pulse by atomic systems // Laser Physics Letters. 2006. Vol. 3. pp. 259-262.

27. Sonnichsen C. Plasmons in metal nanostructures. Gottingen: Cuvillier Verlag, 2001. 134 pp.

28. Johnson P.B., Chirsty R.W. Optical constants of the noble metals // Physical Review B. 1972. Vol. 6. pp. 4370-4379.

29. Gray S., Liu A., Walton D.T., Wang J., Li M., Chen X., Ruffin A.B.,DeMeritt J.A., Zenteno L.A.. 502 Watt, single transverse mode, narrow line width, bidirectional pumped Yb-doped fiber amplifier // Optics Express. 2007. Vol. 15. pp. 1704417050.

30. Jeong Y., Sahu J.K., Payne D.N., Nilsson J. Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output // Optics Express. 2003. Vol. 11. pp. 830837.

31. Liang Dong, Jun Li, Hugh A. McKay, Libin Fu and Brian K. Thomas. Large Effective Mode Area Optical Fibers for High Power Lasers // Proceedings of SPIE. 2009. Vol. 7195.

32. Koponen J.J., Soderlund M.J., Hoffman H.J., Tammela S.K. Measuring photodarkening from single-mode ytterbium doped silica fibers // Optics Express. 2006. Vol. 14. pp. 11539-11544.

33.Kirchhof J., Unger S., Reichel V., Schwuchow A. Background loss and devitrification in Nd-doped fiber laser glass // Optical Fiber Conference Technical Digest. 1996. pp. 60-61.

34. Koplow P., Kliner D., Goldberg L.. Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier // Optics Letters. 2000. Vol. 25. P. 442444.

35.Limpert J., Deguil-Robin N., Manek-Honinger I., Salin F., Roser F., Liem A.,

Schreiber Т., Nolte S., Zellmer H., Tunnermann A., Broeng J., Petersson A., Jacobssen C. High-power rod-type photonic crystal fiber laser // Optics Express. 2005. Vol. 13. pp. 1055-1058.

36. Liu A., Ueda K. The absorption characteristics of circular, offset and rectangular double-clad fibers // Optics Communications. 1996. Vol. 132. pp. 511-518.

37. Kouznetsov D., Moloney J. Efficiency of pump absorption in double-clad fiber amplifiers. II. Broken circular symmetry // Journal of Optical Society of America B. 2002. Vol. 19. pp. 1259-1263.

38. Doya V., Legrand O., Mortessagne F. Optimized absorption in a chaotic double-clad fiber amplifier // Optics Letters. 2001. Vol. 26. pp. 872-874.

39. Leproux P., Fevrier S., Doya V., Roy P., Pagnoux D. Modelling and optimization of double-clad fiber amplifiers using chaotic propagation of pump // Optical Fiber

„ Technology. 2001. Vol. 6. pp. 324-339.

40. Filippov V., Chamorovskii Yu., Kerttula J., Golant K., Pessa M., Okhotnikov O.G. Double clad tapered fiber for high power applications // Optics Express. 2008. Vol. 16. pp. 1929-1944.

41. Filippov V., Chamorovskii Yu., Kerttula J., Kholodkov A., Okhotnikov O.G. Single-mode 212 W tapered fiber laser pumped by a low-brightness source // Optics letters. 2008. Vol. 33. pp. 1416-1418.

42. Filippov V., Chamorovskii Yu., Kerttula J., Kholodkov A., Okhotnikov O.G. 600 W power scalable single transverse mode tapered double-clad fiber laser // Optics Express. 2009. Vol. 17. pp. 1203-1214.

43.Моршнев С. К. Электромагнитные волны в диэлектрических волноводах. М.: ^ МФТИ, 2004.

44. Kholodkov A., Golant К. Surface plasma CVD as a new technological platform for Er-doped waveguide amplifiers and lasers fabrication // Optical Fiber Communication Conference. 2004.

45. Unger H.G. Planar optical waveguides and fibres. Clarendon Press, 1977.

46. Snyder A.W., Love J.D. Optical waveguide theory. Chapman and Hall, 1983.

47. Paschotta R. Field Guide to Optical Fiber Technology. Bellingham (WA): SPIE Press, 2010.

48. Михайлов E.M., Головинский П.А. Распространение ультракороткого импульса лазерного излучения в волноводе прямоугольного сечения // Оптика и спектроскопия. 2003. Т. 94. № 2. С. 341-344.

49. Ахманов С. А., Выслоух В. А., Чиркин А. С.. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988. 312 с.

50. Brabec Th., Krausz F. Intense few-cycle laser fields: Frontiers of nonlinear optics // Rev. Mod. Phys. 2000. Vol. 72. No. 2. pp. 545-591.

51. Кузелев M. В., Рухадзе А. А.. Методы теории волн в средах с дисперсией. М.: Физматлит, 2007. 272 с.

52. Фок В.А. Начала квантовой механики. М.: Наука, 1976. 376 с.

53.Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, рядов и произведений. СПб: БХВ-Петербург, 2011. 1232 pp.

54. Солименко С., Крозиньяни Б., Ди Порто П.. Дифракция и распространение оптического излучения. М.: Мир, 1989. 664 с.

55. Никифоров А. Ф., Уваров В. Б.. Специальные функции математической физики. Долгопрудный: Интеллект, 2007. 344 с.

56. Маркузе Д. Оптические волноводы. М.: Мир, 1974. 576 с.

57. Legenkiy М., Butrym A. Pulse signals in open circular dielectric waveguide // Progress in electromagnetics research letters. 2011. Vol. 22. pp. 9-17.

58. Желтиков A.M. Развитие технологии фотонно-кристаллических световодов в России // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. № 7. С. 743-763.

59. Иванов А. А., Алфимов М. В., Желтиков А. М.. Фемтосекунтдные импульсы в нанофотонике // УФН. 2004. Т. 174. № 7. С. 743-73.

60. Акимов Д. А., Алфимов М. В., Багаев С. Н. и др. Спектральное сверхуширение фемтосекундных импульсов лазера на хром-форстерите в перетянутом

волокне // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 74. № 9. С. 515-519.

61. Moses J., Huang S.-W., Hong K.-H. et al. Highly stable ultrabroadband mid-IR optical parametric chirped-pulse amplifier optimized for superfluorescence suppression // Optical Letters. 2009. Vol. 34. pp. 1639-1641.

62. Kundu M., Kaw P.K., Bauer D.. Laser-cluster interaction with subcycle pulses // Physical Review A. 2012. Vol. 85. No. 2. pp. 023202-1-9.

63.Blondel C., Delsart C., Dulieu F. The Photodetachment Microscope // Physical Review Letters. 1996. Vol. 77. pp. 3755-3758.

64. Jose J., Pradhan G. В., Radojevic V., Manson S. T., Deshmukh P. C. Valence photodetachment of Li- and Na- using relativistic many-body techniques // Physical Review A. 2011. Vol. 83. pp. 053419-1-7.