Введение к работе
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 сверхснльных 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 Ti:Sa (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*].
Благодаря высокой концентрации энергии электромагнитного поля во времени взаимодействие фемтосекундного излучения с веществом носит, как правило, нелинейный характер. Именно поэтому изучение нелинейных динамических волновых процессов составляет теоретическую основу для развития фемтосекундной оптики и физики сверхсильных полей. Данным обстоятельством обусловлена актуальность представляемой диссертационной работы в целом. Она посвящена, главным образом, теоретическому исследованию ключевых нелинейных эффектов, проявляющихся при генерации излучения в фемтосекундных лазерах и распространении мощных сверхкоротких (СК) импульсов в прозрачных нелинейных средах. Описываемые в ней наряду с этим экспериментальные исследования имеют целью продемонстрировать, вместе с интересными приложениями, правильность понимания физических процессов в рамках разработанных теоретических моделей.
Актуальность конкретных вопросов, рассматриваемых в первом разделе диссертации, 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 сильных 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 теорети-«ских моделей.
Научная новизна работы
1. На основе пространственно-временного подхода к описанию
іазерной динамики с учетом самосогласованного поведения гейна усили-
зающей среды построена и исследована новая модель фемтосекундной
"енерации в форме диссипативных оптических солитонов и определены
сритерии существования устойчивых режимов. Для широкополосных
осиливающих сред найден новый класс сверхсветовых диссипативных
нггкческих солитонов, балансирующих дисперсию групповой скорости и
«консервативную нелинейность насыщения гейна, в форме ускоряющихся
юлновых пакетов со стационарным профилем амплитуды во времени и рав-
гомерно смещающимся внутри полосы усиления спектральным профилем.
Обнаружены и исследованы новые сценарии нелинейной динамики дисси-
щтивных оптических солитонов, включая взаимопревращения солитонов
различных типов, спектральные автоколебания внутри неоднородной поло-
ы усиления и самонастройку спектров волновых пакетов на частоту
іулевой дисперсии групповой скорости.
2. Во временном и спектральном представлениях впервые сформули-
ованы интегральные соотношения для эволюции одномерных волновых
іакетов в средах с произвольным инерционным нелинейным откликом и на
той основе дан общий анализ эффектов адиабатического смешения
пектров и ускорения оптических импульсов. Обнаружены и исследованы
овые сценарии эволюции СК импульсов, такие как одновременное опроки-
ывание и самосжатие профиля импульса в среде с сильно инерционным
единенным откликом, радиационное затухание и делокализация солитонов
средах с релаксиругощим или осциллирующим нелинейным откликом, ормирование устойчивых солитонных структур, локализация которых бусловлена индуцированным оптическим полем дефектом периодической ешетки показателя преломления. Впервые показана возможность создания іироко перестраиваемых источников когерентного излучения на основе }>фекта сильного адиабатического повышения частоты сверхкороткое ізерного импульса, производящего ионизацию газа, и определены эедельные возможности повышения частоты СК лазерного импульса в семе ускорителя фотонов на релягивистки сильной ленгмюровской волне.
3. Изучены сценарии пространственно-временных нсустойчивостей 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.
-
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 рамка> 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 синегс сдвига гармоник оптического излучения. В экспериментах по возбуждении кильватерной волны в разреженной газовой плазме под действием мощногс фемтосекундного излучения впервые измерены плазменные поля большое амплитуды в хорошем соответствии с представленной нами теоретическое моделью.
-
Предложена и обоснована концепция генерации когерентного излуче ния агтосекундной длительности при ионизации атомов мощными опти четкими импульсами с быстро нарастающей амплитудой линейно поляризо ванного поля. Впервые изучена самосогласованная модель, состоящая и: волнового уравнения для действительного электрического поля оптичес кого импульса и материального уравнения в форме уравнения Шредингер; для волнового пакета электронных состояний невзаимодействующих ато мов, описывающая нелинейную трансформацию спектра мощного фемто секундного импульса с малым числом периодов поля при полевоі ионизации газа; в рамках этой модели проанализированы нелинейны процессы генерации сверхкоротких всплесков высоких гармоник оптичес кого поля, ионизационного смещения спектра основной и высоки; гармоник излучения, возбуждения сверхширокополосного рентгеновскоп континуума. Впервые показано, что при ионизации атомов в нарастающе* по амплитуде поле мощного фемтосекундного импульса может быт достигуто значительное увеличение эффективности трансформации энерги 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, іто в рамках такого подхода удается свести задачу об устойчивых режимах заботы квантового генератора СК импульсов к задаче о формировании івтосолитонов при распространении импульсов произвольной начальной |юрмы в эквивалентной распределенной диссипативной среде и применить известные из теории нелинейно-волновых процессов способы ее анализа [1-5]. В частности, использование такой аналогии позволяет детально изучить юпрос об устойчивости режимов генерации и исследовать новые процессы :пектральной динамики в фемтосекундных лазерах, такие как само-іастройка излучения на частоту нулевой дисперсии групповой скорости и втоколебания распределений поля в спектральном пространстве [5-7]. Ірактическая значимость разработанной теории состоит в том, что полу-енные аналитические соотношения для параметров генерации (длитель-ости импульсов, энергии, чирпа) могут быть примененены для оценки и птимизации работы квантовых генераторов.
Значимость результатов, полученных во втором и третьем разделах иссертации, заключается в демонстрации важности многочисленных елинейных режимов взаимодействия мощного фемтосекундного излуче-ия с веществом для различных научных и практических приложений.
Явление адиабатического преобразования частоты излучения вверх по іектру при распространении импульса в нестационарной плазме [13*,14*] звно привлекает внимание исследователей в связи с возможностью создала перестраиваемых источников когерентного излучения [15*] или как тгностическое средство для изучения свойств плазмы [16*]. Результат іссертационной работы о возможности сильного (в несколько раз) повы-ения частоты фемтосекундного импульса, производящего туннельную жизацию газа, при значительном (десятки процентов) коэффициенте реформации энергии по спектру [14,15] имеет в связи с этим важное іактическое значение. Аналогичный интерес представляют результаты оретического исследования предельных возможностей повышения часто-I СК лазерного импульса в схеме ускорителя фотонов [17*] на релятиви-ски 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 некогерентны* источников излучения в различных диапазонах длин волн. Изученная намг в [23] модель самоканалирования при одновременном действии иониза-цонной и керровской нелинейностей, нашла подтверждение в экспериментах по наблюдению филаментации мощного фемтосекундного излучения х формированию плазменных каналов с длиной до нескольких сотен метров і атмосферном воздухе [22*]. Другая модель самоканалирования на квазило кализованной моде в случае насыщения ионизации газа [24,26,39] можеі быть предложена для объяснения экспериментов [23*] по захвату сверх мощного фемтосекундного импульса в плазменный канал, образующийся і газе низкого давления и имеющий длину, большую рэлеевской.
Научная важность результатов работы [17] заключается в том, чт( представления о коллапсах как ключевом сценарии волновой динамики і нелинейных средах было распространено на биэволюционные системы < однонаправленной эволюцией по координате распространения СК импульсі и времени. С практической точки зрения, здесь можно отметить вывод < возможности сверхкритической самофокусировки СК импульса в средах і инерционным нелинейным откликом.
Научное значение обнаруженного и теоретически изученного намі эффекта "фрактального" коллапса волн при конкуренции процесси поперечной и продольной динамики волнового пакета [28,29] подтвержда
ется 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 волне.
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 Ti:Sa 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*].
Апробация работы
Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались автором на семинарах в ИПФ РАН, МГУ, ИОФ РАН, ГОИ, на научной сессии ООФА РАН, в Станфордеком университете, Калифорнийском университете в Лос 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.
