Введение к работе
Актуальность темы. Одним из наиболее ярких направлений в современной фемтосекундной оптике является исследование модификации физических свойств вещества при нелинейном воздействии на его внутреннюю структуру сверхкороткими оптическими импульсами. Преимущества фемтосекундного излучения связаны с максимальной концентрацией лазерной энергии и локализацией возбуждения в произвольном месте объема вещества за счет многофотонных процессов. В конце 90-х годов в ряде экспериментов было продемонстрировано, что острая фокусировка мощных фемтосекундных импульсов позволяет осуществлять локализованную структурную модификацию прозрачных диэлектриков в виде объемных точек [1] и протяженных каналов [2] с микронным н субмикронным разрешением. В работе [3] было показано, что аналогичные структурные преобразования происходят при воздействии на полимеры излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией и высокой частотой следования импульсов. Тем самым открывается реальная возможность создания сложных трехмерных структур с большим количеством элементов, которые представляют значительный интерес для различных микро- и нанотехнологий, при разработке перспективных систем хранения информации, создании элементов интегральной оптики и фотонных кристаллов.
Актуальность круга вопросов, рассмотренных в диссертации, обусловлена перспективой практического применения фемтосекундных лазеров для прецизионной модификации внутренней структуры материалов. Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию механизмов формирования сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем и экспериментальной демонстрации возможности трехмерной модификации полимеров излучением фемтосекундных лазеров.
Актуальность конкретных вопросов, обсуждаемых в первой и второй главах работы, связана с разработкой во второй половине 90-х годов нового поколения источников фемтосекундных лазерных импульсов [4, 5]. Твердотельные лазеры с диодной накачкой и инерционным насыщающимся поглотителем по совокупности параметров, такій, как экономичность, компактность, надежность, стабильность и простота в эксплуатации, во многом отвечают требованиям научных, промышленных, медицинских и прочих приложений. Несмотря на впечатляющие успехи в создании новой лазерной техники, теоретические представления о ключевых механизмах формирования сверхкоротких импульсов в подобных источниках во многом остаются неразвитыми. В частности, такие лазеры способны генерировать
импульсы длительностью много меньшей времени отклика насыщающегося поглотителя. В Thsapphire лазере этот эффект может быть объяснен модуляционной неустойчивостью оптического поля, свойственной шрединге-ровскому солитону [6]. Однако эффективность подобного механизма формирования сверхкоротких импульсов вызывает сомнения в случае широкополосных лазеров с диодной накачкой [7], в которых нелинейный фазовый сдвиг поля в десятки раз меньше. Поэтому дальнейшее исследование режимов синхронизации мод в лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем представляет собой важную и интересную задачу.
Актуальность экспериментов, описанных в третьей главе диссертации, обусловлена открытием и изучением новых приложений фемтосекундного излучения при его воздействии на вещество в диапазоне ингенсивностеи от 108 до 1012 Вт/см2. В работах [8, 9] продемонстрирована возможность применения модификации фотополимеров и полимеров, допированных молекулами красителей излучением фемтосекундных лазеров для сверхплотной записи информации в объеме вещества. Информация записывалась в виде локализованных вариаций показателя преломления при фотополи-меризации [8] или фотохромних изменений спектра поглощения красителя [9]. В диссертации исследовалась объемная модификация полимеров излучением фемтосекундного лазера в виде локализованных структурных преобразований (разрушений) матрицы вещества. Подобные фотоиндуци-руемые изменения обладают высоким контрастом оптических свойств и устойчивостью к внешним воздействиям. Результаты этих исследований демонстрируют уникальную возможность практического применения фемтосекундных лазеров для прецизионной модификации внутренней структуры вещества.
Основными целями диссертации являются теоретическое и экспериментальное исследование особенностей генерации сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем, создание подобных лазерных источников и исследование объемной модификации полимеров излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией и высокой частотой следования импульсов.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Исследованы процессы формирования сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем в условиях, когда консервативная нелинейность не является доминирующим фактором. Обнаружен новый тип стационарных нелинейных волновых структур - диссипативные оптические солитоны.
-
Экспериментально исследованы особенности работы фемтосекундного CnLiSGAF лазера с диодной накачкой и насыщающимся брэгговским отражателем - перспективного компактного источника фемтосекундных лазерных импульсов с высокой средней мощностью (~1 Вт).
-
Экспериментально исследованы процессы объемной модификации поли-метилметакрилата (ПММА), допированного спиропираном, излучением фемтосекундного Tirsapphire с низкой (2-3 нДж) энергией и высокой (100 МГц) частотой повторения импульсов. Показана возможность контролируемой структурной модификации матрицы полимера излучением фемтосекундного лазера.
-
Обнаружен эффект самоканалирования фемтосекундного излучения в ПММА, допированном спиропираном, вызванный фотохимическими преобразованиями в среде при двухфотонном возбуждении красителя. Взаимодействие излучения с веществом аналогично нестационарной самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной нелинейностью и приводит к образованию устойчивых структур волноводного типа.
-
Экспериментально исследованы процессы объемной структурной модификации недопированного ПММА второй гармоникой излучения фемтосекундного Tirsapphire лазера с низкой (3-30 пДж) энергией и высокой (100 МГц) частотой повторения импульсов.
Практическое значение работы. В диссертации проведено исследование механизмов формирования фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем. Полученные результаты позволяют оценить параметры генерации лазеров данного типа.
Разработанные в диссертации методы контролируемой объемной модификации полимеров излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией импульсов - важный шаг на пути к практическому применению фемтосекундной лазерной техники в медицине, различных микро- и нано-технологиях, при разработке перспективных систем хранения информации, создании элементов интегральной оптики и фотонных кристаллов.
На защиту выносятся основные положения: 1. В оптической среде с инерционной диссипативной нелинейностью и дисперсией групповых скоростей (ДГС) реализуются устойчивые солитонные структуры, не имеющие аналогов в физике консервативных сред. Эти структуры, напоминающие волны ионизации или волны горения, представляют собой волновые пакеты со стационарной энергией и формой огибающей, центральная частота которых непрерывно смещается. В отличие от со-литонов консервативных систем, диссипативные оптические солитоны существуют при любом знаке ДГС. При компенсации дисперсии второго
порядка с определенным знаком дисперсии третьего порядка, тенденция диссипативных оптических солитонов к смещению своего спектра приводит к эффекту самонастройки на частоту, соответствующую наиболее коротким стационарным импульсам в данной среде.
2. В твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем
существуют режимы генерации импульсов с длительностью много меньше
времен релаксации поглотителя. Тип формирующегося в лазерах импульса
определяется соотношением вкладов консервативной и диссипативной не
линейности и соответствует в предельных случаях шредингеровскому и
диссипативному оптическому солитонам.
3. Взаимодействие излучения фемтосекундного Ti.sapphire лазера с
ПММА, допированным молекулами спиропирана, приводит к самоканали-
рованию лазерного пучка. Изомеризация красителя при двухфотонном воз
буждении вызывает изменения показателя преломления среды. Накопление
фотохимических преобразований от импульса к импульсу эквивалентно не
стационарной самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной
нелинейностью. В результате эволюции лазерного пучка в допированном
полимере формируются устойчивые структуры волноводного типа, запол
ненные изомеризованным красителем. Диаметр каналов ~ 5 мкм при длине
3-5 мм.
4. Острая фокусировка импульсов фемтосекундного Ti:sapphire лазера с
низкой энергией и высокой частотой следования в объем полимеров спо
собна вызывать контролируемые структурные преобразования в матрице
вещества. В результате в области фокуса образуются сферические модифи
цированные области с размерами ~ 2 мкм, обладающие высоким контрас
том оптических свойств. Двухфотонный резонанс поглощения либо внед
ренного в полимер красителя, либо хромофоров самого полимера позволяет
реализовать нелинейные механизмы лазерной модификации матрицы ве
щества при пиковых интенсивностях менее 1 ТВт/см2.
Апробация работы. Публикации Материалы диссертации опубликованы в работах [1а]-[17а], а также докладывались на мокдународных конференциях по оптике лазеров (С.-Петербург, 1993, 1997), информационной оптике OIST'97 (Москва, 1997), когерентной и нелинейной оптике ICONO'98 (Москва, 1998), лазерам и электрооптике CLEO'98 и CLEO'99 (США), лазерам с высокой мощностью и их приложениям LASE'99 (США), на научных семинарах ИПФ РАН и университета г. Умеа (Швеция).
Структура н объём диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 138 страниц, включая 32 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 115 наименований.
