Введение к работе
В последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в развитии лазеров, генерирующих фемтосекупдные световые импульсы из малого числа колебаний. Интенсивность таких предельно коротких (по числу колебаний) импульсов (ПКИ) при фокусировке может лежать в тера- и петаваттном диапазоне (1012 -гЮ15Вт/см2) при относительно небольшой общей энергии импульса.
Понятие огибающей для ПКИ теряет свое физическое содержание, и спектр таких импульсов является очень широким. Поэтому при теоретическом изучении закономерностей их распространения в оптических средах применимость традиционного для нелинейной оптики метода медленно меняющейся огибающей, строго обоснованного для квазимонохроматических импульсов, становится дискутивной. В 1990-е годы появилось значительное число работ, в которых самовоздействие ПКИ рассматривалось на основе уравнений динамики не огибающей, а непосредственно электрического поля светового импульса. Однако к началу настоящей работы не были получены полевые уравнения, учитывающие инерционность основного малоинерциошгого механизма нелинейности диэлектрической среды - нерезонансного электронного. Соответственно, не было проанализировано влияние на характер самовоздействия ПКИ в среде дисперсии коэффициента нелинейного показателя преломления диэлектрика, обусловленной этой инерционностью.
Для ПКИ видимого и ближнего ИК диапазонов спектра интенсивность излучения, при которой за чрезвычайно короткое время прохождения импульса еще не происходит оптический пробой диэлектрической среды, может превышать 10 Вт/см2. В этой ситуации необходим анализ новых инерционных электронных механизмов нелинейности вещества, таких как, например, плазменная нелинейность, не наблюдавшихся в поле «длинных» импульсов столь высокой интенсивности из-за разрушения оптической среды. В известных на момент начала настоящей работы уравнениях динамики поля ПКИ эти эффекты не учитывались. В многочисленных статьях по теоретическому изучению влияния многофотонной ионизации и плазменной нелинейности оптических сред на распространение в них фемтосекундного излучения использовались уравнения, записанные для огибающих квазимонохроматических импульсов, которые, как уже отмечено, неприменимы для ПКИ. Конечно, следует отметить, что существовало много публикаций, в которых рассматривалась динамика отдельного атома или молекулы в сильном световом поле, в том числе, их ионизация. Но в таких работах поле излучения обычно предполагалось заданным, уравнения его динамики не получали и самовоздействие светового импульса в среде не рассчитывали.
Цель работы: выявление природы инерционности нелинейного электронного отклика диэлектрической среды на сильное поле светового импульса из малого числа колебаний и определение влияния этой инерционности на характер самовоздействия в среде импульсов таких предельно коротких длительностей.
Основные новые научные положения, выносимые на защиту:
Показано, что инерционность кубичного по полю поляризационного отклика изотропной диэлектрической среды электронной природы, которая обуславливает дисперсию коэффициента нелинейного показателя преломления среды, в поле световых импульсов из малого числа колебаний определяется двумя основными факторами: параметрической связью поляризации среды, обусловленной разрешенными в элсктродипольном приближении переходами, с электрическим полем излучения посредством возбуждения колебаний на запрещенных в электродипольном приближении электронных переходах, и изменением населенностей высоковозбужденных состояний.
Получено волновое уравнение, описывающее динамику сильного поля светового импульса из малого числа колебаний в изотропной диэлектрической среде с учетом инерционности кубичного по полю нелинейного электронного поляризационного отклика, инерционного заселения высоковозбужденных состояний и взаимодействия квазисвободных электронов в высоковозбужденных состояниях с полем излучения. Показано, что оно является обобщением известных уравнений, записанных для огибающих квазимонохроматических импульсов и учитывающих генерацию плазмы в диэлектрической среде, на случай импульсов с континуумным спектром.
Показано, что инерционность кубичной электронной нелинейности, характеризующая дисперсию коэффициента нелинейного показателя преломления диэлектрической среды, при сверхуширении спектра импульса из малого числа колебаний в среде приводит к его дополнительному уширению как в «красную», так и в «фиолетовую» область и смещению максимума спектра импульса в «красную» область.
Показано, что относительное влияние нелинейности диэлектрических сред в сильном поле световых импульсов из малого числа колебаний, связанной с появлением квазисвободных электронов в высоковозбужденных состояниях, усиливается пропорционально кубу центральной длины волны излучения и квадрату длительности импульса. Установлено, что плазменная нелинейность диэлектрической среды при распространении в ней светового импульса из малого числа колебаний приводит к появлению дополнительного максимума в «синей» области его сверхуширяющегося
спектра, ослабляет эффект нелинейного самоукручения переднего фронта импульса и усиливает его на заднем фронте. 5. Установлено, что генерация излучения в среднем и дальнем инфракрасном (в том числе, в терагерцовом) спектральных диапазонах при оптическом пробое воздуха двумя фемтосекундными лазерными импульсами, спектр одного из которых - в ближнем инфракрасном диапазоне, а другого - на удвоенных его частотах, не связана с безынерционным трехволно-вым взаимодействием вида (a>,w,-2a>), а обусловлена инерционной динамикой возбуждения квазисвободных электронных состояний диэлектрика. Показано, что генерируемое при оптическом пробое излучение среднего инфракрасного диапазона представляет собой импульс из малого числа колебаний, интенсивность которого изменяется в зависимости от временного сдвига взаимодействующих импульсов на основной и удвоенной частотах по квазигармоническому закону с периодом, равным половине периода колебаний поля импульса удвоенной частоты второй гармоники исходного импульса (аналогично известной экспериментальной зависимости для терагерцовых волн).
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Получена система материальных уравнений для диэлектрической среды в поле световых импульсов из малого числа колебаний, одновременно учитывающая инерционность линейной и кубичной по полю нелинейной частей поляризованности вещества электронной природы, инерционное изменение населенности высоковозбужденных состояний среды (в твердом теле - подзон зоны проводимости) и взаимодействие квазисвободных электронов с полем световой волны.
Выведено уравнение динамики непосредственно электрического поля импульса из малого числа колебаний в диэлектрической среде с инерционными нерезонансной электронной и плазменной нелинейностями.
Получены аналитические оценки относительного влияния на самовоздействие оптического излучения в кварцевом стекле безынерционной и инерционной частей кубичной по полю электронной нелинейности среды, а также инерционной плазменной нелинейности для импульсов с длительностями тшт = 1 -s-100 фс и интенсивностями / = 10'2 -н 5 1014 Вт I см2. Например, теоретически показано, что в кварцевом стекле для импульса с центральной длиной волны Я = 780им длительностью Т = \0фс проявляется при интенсивностях 1>Ъ Л0пВпг/см2.
Продемонстрирован эффект дополнительного уширения спектра импульса из малого числа колебаний в «красную» и «фиолетовую» области, связанный с инерционностью электронного механизма нелинейной поляри-
зованности диэлектрика, которая обуславливает дисперсию коэффициента нелинейного показателя преломления среды. 5. Для импульсов, содержащих менее десяти колебаний светового поля получены аналитические и численные описания эффектов уменьшения нелинейного показателя преломления вещества, генерации дополнительного максимума спектра излучения в «синей» области, уменьшения свер-хуширения спектра в «красную» область, связанных с динамикой возбуждения в веществе квазисвободных электронов.
Практическая значимость работы характеризуется тем, что:
Получено волновое уравнение, описывающее динамику сильного электрического поля светового импульса из малого числа колебаний в диэлектрической среде с плазменной нелинейностью.
Построен программный комплекс, реализующий численное моделирование распространения светового импульса из малого числа колебаний в диэлектрической среде с учетом инерционности электронной кубичной по полю и плазменной нелинейности поляризованности среды.
Предложен алгоритм аналитической оценки относительного влияния механизмов инерционности нелинейной поляризованности диэлектрика в зависимости от интенсивности, длительности и спектрального состава излучения, а также физических характеристик среды.
Достоверность полученных результатов определяется принципом соответствия: основные уравнения настоящей работы, записанные для электрического поля излучения, в пределе квазимонохроматических импульсов переходят в известные уравнения для их огибающих; а также, соответствием ряда выводимых зависимостей экспериментально наблюдаемым закономерностям.
Апробация работы:
International Conference on Coherent and Nonlinear Optics: Минск 2007, Санкт-Петербург 2005, Москва 2003, Минск 2001; XIII, XII Conference on Laser Optics, Санкт-Петербург 2008, 2006; IV Международная конференция "Фундаментальные проблемы оптики", Санкт-Петербург, 2006; XIX, XVIII, XVII, XVI, XV, XIV, XIII, XII, XI, X, IX, VIII Международное совещание «Радиационная физика твердого тела», Севастополь, 1998-2009; Российско-тайваньский симпозиум по проблемам нелинейной оптики, Москва, 2008; XII Всероссийская научная школа-семинар «Физика и применение микроволн», Звенигород 2009; XI, X Всероссийская научная школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах», Звенигород, 2008, 2006; XXXV, XXX научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2006, 1999; III, I Межвузовская конференция молодых учёных,
Санкт-Петербург, 2006, 2004; VIII Международный симпозиум по фотонному эхо и когерентной спектроскопии, Калининград, 2005; IV, III, I Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика», Санкт-Петербург, 2005, 2003, 1999; International Symposium on Intensive Laser Action and its Applications, Saint-Petersburg, 2003; SPIE 45,h Annual Meeting: The International symposium on Optical Science and Technology San-Diego, California USA, 2000; Российская научно-практическая конференция «Оптика -ФЦП "Интеграция"», Санкт-Петербург, 1999.
По материалам диссертации опубликовано 23 научных работы, в том числе, 5 в изданиях списка ВАК.
Структура и объем диссертации
Работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 124 страницах, включая 37 рисунков и 102 ссылки на использованную литературу.
