Введение к работе
Начиная с появления лазеров развитие нелинейной оптики было тесно связано с получением всё более коротких лазерных импульсов. На современных лазерных установках получены фемтосекундные импульсы с длительностью, сравнимой с периодом светового поля. Таким образом, дальнейшее укорочение световых импульсов с длиной волны, лежащей в видимом диапазоне, невозможно. Однако в ультрафиолетовом диапазоне субфемтосекундные импульсы могут быть получены.
Настоящая работа направлена на исследование генерации субфемтосекундных (аттосекундных, 1 аттосекунда= Ю-18 с) ультрафиолетовых и рентгеновских импульсов. В конце девяностых годов такие импульсы были впервые получены несколькими экспериментальными группами.
Механизм получения аттосекундных импульсов связан с генерацией высоких гармоник лазерного поля: при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с веществом происходит генерация гармоник лазерного поля, т.е. когерентного излучения с частотой, кратной частоте лазера; максимальные номера гармоник составляют от нескольких десятков до тысячи. Оказывается, что при определенных условиях фазы различных гармоник могут быть синхронизованы таким образом, что, складываясь, поля гармоник образуют цуг аттосекундных ультрафиолетовых импульсов.
Генерация гармоник высокого порядка в интенсивных световых пучках, вообще говоря, может происходить различными путями: при взаимодействии с газом, плазмой, с границей плотной плазмы, с наночастицами и т.д. Предметом настоящей работы является генерация гармоник высокого порядка (ГГВП) в газообразных средах. В этом случае каждый атом излучает гармоники высокого порядка (ГВП) - только с нечетными номерами - непосредственно под действием возбуждающего поля основной частоты и независимо от других атомов. Формальным признаком, отличающим его от генерации гармоник низкого порядка, может служить наличие в спектре гармоник почти плоского участка ("плато"), заканчивающегося резкой высокочастотной границей ("срез"). Ниже, именно гармоники с частотами, лежащими в области плато или правее ее и называются
ГВП, в отличие от гармоник низкого порядка - гармоник с частотами, предшествующими плато, или генерируемых до его появления. В отличие от генерации гармоник низкого порядка, генерация ГВП (появление плато) является существенно пороговым явлением, и тесно связано с надпороговой ионизацией атомов. Обязательным условием протекания этих явлений является превышение пондеромоторной энергии (средней энергии колебаний) свободного электрона в возбуждающем поле над энергией кванта этого поля (при длине волны около микрона это соответствует интенсивности порядка 1013 Вт/см2). Грубо явление ГГВП можно рассматривать как туннелирование электрона через потенциальный барьер с последующей излучательной рекомбинацией, протекающее на одном периоде лазерного поля с малой вероятностью и потому повторяющееся на многих периодах, как почти периодический процесс. Это явление было открыто в конце 80-х годов, вскоре после внедрения в экспериментальную практику источников мощных пико- и субпикосекундных импульсов гигаватного диапазона.
Пока широкому практическому использованию гармоник высокого порядка и получаемых из них аттосекундных импульсов (в отдельных случаях они уже использовались) препятствует малая эффективность генерации. Например, рекордная эффективность генерации 13-ой гармоники титан-сапфирового лазера составляет Ю-4, эффективность генерации 49-ой гармоники неодимового лазера в неоне была доведена до 1(Г6.
Цели работы
-
Развитие квантово-механической теории микроскопического и макроскопического высокочастотного отклика газообразной среды в поле интенсивного лазерного излучения.
-
Предложение путей получения одиночного аттосекундного импульса.
-
Предложение путей повышения эффективности генерации когерентного коротковолнового излучения за счет реализации фазового синхронизма.
Актуальность работы
Рассмотренные в настоящей работе задачи связаны со взаимодействием атома или молекулы с электромагнитным полем, напряженность которого сравнима с напряженностью внутриатомного поля (при интенсивности света 3.5 1016 Вт/см2 напряженность электрического поля составляет одну атомную единицу). Наблюдаемые в таких полях закономерности, как правило, не описываются теорией возмущений и поэтому отличны от закономерностей, наблюдаемых в более слабом поле. Это приводит к ряду интересных с фундаментальной точки зрения следствий. Например, при ГГВП эффективность процесса, в котором участвуют п фотонов, может слабо убывать с ростом номера п в некотором диапазоне номеров (это проявляется, в частности, в наличии плато); амплитуда и фаза гармоники зависят от амплитуды внешнего поля. Таким образом, исследования ГГВП представляют глубокий фундаментальный интерес.
Теоретическое исследование генерации аттосекундных импульсов предполагает описание взаимодействия среды с лазерным излучением на временах, существенно меньших оптического периода. Такая постановка задачи является достаточно новой для лазерной физики. Очевидно, фундаментальный интерес представляет и процесс взаимодействия аттосекундных импульсов со средой (в задачах метрологии и спектроскопии со временным разрешением), т.к. позволяет впервые провести прямые измерения со временным разрешением порядка атомного времени (1 атомная единица времени составляет примерно 24 аттосекунды).
Научная новизна работы
Научная новизна работы состоит в следующем:
Развита квантово-механическая теория микроскопического
высокочастотного отклика газообразной среды в поле
интенсивного эллиптически-поляризованного лазерного
излучения. Предсказания этой теории находятся в хорошем согласии с численными расчетами. В частности, наша теория существенно правильнее, чем предлагавшиеся ранее, описывает
ролв различнвіх квазиклассических траекторий электрона в процессе генерации высокочастотного излучения.
Впервые получено выражение для макроскопического отклика среды, описвівающее внеосевой фазовый синхронизм при генерации когерентного ввісокочастотного излучения в интенсивном лазерном поле. Впервые проведен анализ внеосевой синхронной генерации ГВП в протяженной среде, в частности, генерации самоканалирующимся лазернвім импулвсом. Предложено исполвзование неколлинеарной схемві генерации для ввшолнения условий фазового синхронизма при ГГВП.
Подробно исследованві методві получения одиночного аттосекундного импулвса. В частности, предложен метод, основаннвій на бвістром изменении отстройки от фазового синхронизма. Предложены оценки минималвной длителвности аттосекундного импулвса, которвій может бвітв получен при взаимодействии лазерного излучения с газообразной средой.
Практическая ценность работы
Аттосекундные импульсы, получаемые при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с газообразными средами, являются наиболее короткими электромагнитными импульсами, экспериментально полученными на сегодняшний день. Они являются (практически единственным) инструментом для прямого измерения процессов аттосекундной длительности в различных областях физики. В связи с этим методы получения одиночного аттосекундного импульса, исследованные в настоящей работе, представляются весьма важными.
Хотя экспериментально доступная мощность ГВП существенно уступает мощности синхротронного излучения и, тем более, мощности излучения лазеров на свободных электронах, излучение гармоник обладает рядом важных особенностей:
из группы гармоник высокого порядка могут быть получены аттосекундные импульсы;
пространственная и временная структура поля гармоники определяется структурой лазерного импульса и поэтому очень хорошо контролируема; пространственная связь позволяет, в частности, добиться жесткой фокусировки излучения гармоники
и, следовательно, получить когерентное высокочастотное поле высокой интенсивности; временая связь приводит к тому, что импульсы гармоник, как и получаемые из них аттосекундные импульсы, жестко "привязаны" во времени к лазерному импульсу, что обеспечивает возможность использования высокочастотного импульса вместе с лазерным в экспериментах по схеме накачка-зондирование.
- гармоники высокого порядка (и аттосекундные импульсы) могут быть получены на "настольных" экспериментальных установках.
Основной причиной, ограничивающей широкое применение ГГВП, как уже отмечалось, является низкая эффективность генерации. Поэтому проведенное в настоящей работе исследование фазового синхронизма, направленное на повышение эффективности ГГВП, представляется важным с практической точки зрения.
Основные результаты
1. Развита квантово-механическая теория микроскопического
высокочастотного отклика газообразной среды в поле
интенсивного эллиптически-поляризованного низкочастотного
лазерного излучения. Теоретические результаты по генерации
аттосекундных импульсов хорошо согласуются с численными
расчетами.
2. Получено выражение для макроскопического отклика среды,
описывающее внеосевой фазовый синхронизм при генерации
когерентного высокочастотного излучения в интенсивном
лазерном поле.
3. Показано, что суммарное поле нескольких соседних
гармоник в дальней зоне дифракции представляет собой
цуг аттосекундных импульсов; совокупность этих гармоник
может быть выделена из генерируемого спектра с помощью
системы диафрагм. Проведенные расчеты показывают, что при
длительности генерирующего импульса менее трех полупериодов
и определенной абсолютной фазе этим методом может быть
получен одиночный аттосекундный импульс. Предложены
выражения, описывающие минимальную длительность
аттосекундного импульса в зависимости от интенсивности и
частоты генерирующего поля.
-
Показано, что для генерации одиночного аттосекундного импульса может быть использовано поле переменной поляризации, полученное из линейно-поляризованного лазерного импульса длительностью в несколько оптических периодов со стабилизированной абсолютной фазой. Проведенные расчеты находятся в хорошем согласии с экспериментами по генерации одиночного аттосекундного импульса этим методом.
-
Предложен способ получения одиночного аттосекундного импульса, основанный на быстром изменении отстройки от фазового синхронизма. Важной его особенностью является меньшая (по сравнению с другими методами) чувствительность к стабильности абсолютной фазы лазерного излучения. Показано, что получение одиночного аттосекундного импульса этим методом возможно при длительности лазерного импульса 10 фс, а при использовании двуцветного генерирующего поля — 20 фс.
-
Проведен анализ внеосевой синхронной генерации высоких гармоник в протяженной среде с учетом самовоздействия лазерного излучения, дисперсии среды, поглощения гармоники в среде. Полученные в расчетах структуры спектра макроскопического и микроскопического отклика качественно отличаются друг от друга; в частности, в спектре макроскопического отклика возможно формирование двух плато.
7. Показано, что условие фазового синхронизма
может быть выполнено при генерации высоких гармоник
двумя неколлинеарными лазерными пучками; наибольшая
эффективность преобразования реализуется при сильно
отличающихся интенсивностях пучков.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях: International Workshop on Laser Physics (LPHYS) в 1998, 1999, 2002, 2003, 2008 гг; International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO) в 1998, 2001, 2005, 2007 гг; International Symposium on Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (NWP) в 2003, 2005, 2008 гг; International workshop on Atomic Physics в 2005, 2006 гг, International Conference on Multiphoton Processes в 2005, 2008 гг; Фундаментальная Атомная Спектроскопия
в 1998 г; Italian-Russian Symposium On Nonlinear Optics of Ultrashort Laser Pulses (ITARUS) в 1998 и 1999 гг; International Seminar and Workshop on Intense Laser-Matter Interaction And Pulse Propagation в 2005 г; Complex systems of charged particles and their interaction with electromagnetic radiation в 2005, 2006, 2007, 2008 гг; Coherent Control of the Fundamental Processes in Optics and X-ray-Optics в 2006 г; Central European Workshop on Quantum Optics в 2007 г; Attosecond Physics в 2007 г; International Conference on Ultra intense Laser Interaction Sciences (ULIS) в 2007 г; Conference on Laser Optics в 2001 г; EURESCO Conference Matter in Super-Intense Laser Field в 2001г; EURESCO Conference Quantum Optics в 2001 г; Applications of High Field and Short Wavelength Sources в 2003 г; Novel Light Sources and Applications в 2008 г и других конференциях.
В течение 1997-2008 г.г. полученные в диссертации результаты докладывались на семинарах в ИОФ РАН и других институтах и лабораториях, как в России, так и за рубежом.
Личный вклад автора. В изложенных в диссертационной работе исследованиях автору принадлежат постановка и решение теоретических задач, анализ и интерпретация результатов.
Достоверность результатов обусловлена применяемыми математическими методами, согласием с экспериментальными данными и результатами численных расчетов.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 27 статьях в отечественных и зарубежных научных журналах, включая 26 статей в журналах, рекомендованных ВАК. Список печатных работ, в которых опубликованы результаты диссертации, приводится в конце автореферата.
Структура и объём диссертации
Оъём диссертации составляет 204 страницы. Диссертация включает 64 рисунка; список литературы содержит 239 наименований.
