Введение к работе
Актуальность работы. Лазеры оказывают большое влияние на развитие науки и техники. С их помощью решаются важные задачи в самых различных областях физики, химии, биологии, медицины, материаловедения и связи. Наиболее последовательным и фундаментальным било вхождение лазеров в спектроскопию, и через нее в атомную и молекулярную физику газообразных и конденсированных сред.
Когерентное лазерное излучение с момента воздействия на вещество вызолят ее из равновесного состояния путем смещения распределения частиц по энергетическим уровням от равновесного больпмановского, нарушая при этом первоначальное распределение фаз волновых функций в ансамбле частиц. В системе возникают когерентно-нестационарные (переходные) явления. Столкновитель-ные же процессы мезду частицами способствуют возвращению системы в равновесное состояние. При достаточной продолжительности взаимодействия наступает некое динамическое равновесие мздду этими двумя тенденциями: устанавливается так называемое стационарное состояние. Параметром, определяющим нелинейный характер взаимодействия, является интенсивность лазерного излучения. В противном случае (малые длительности) взаимодействие сохраняет когерентно-нестационарный характер и закономерности нелинейно-оптических процессов существенно отличаются от хорошо изученного стационарного случая.
Поляризация лазерного излучения выделяет в пространстве определенное направление колебаний электрического (магнитного) вектора, что, естественно, приводит к индуцированию в среде нелинейной оптической анизотропии-двулучєпрелоіллешт и дихроизму. Индуцированная оптическая анизотропия приводит, в частности, к изменению поляризации пробной волны, зондирующей эту анизотропию. На основе этого язляения развит один нз самых высокочувствительных методов современной лазерной спектроскопии - нелинейная поляризационная спектроскопия.
Успехи в генерация ультракоротких импульсов света стимулировали бурный иятерэс к исследованиям по взаимодействию излучения
со срэдоЗ э когерентных нестационарных условиях. Резко возросло число научных публикаций по экспзримектальнш и теоретическим
исследованиям разнообразных самовоздействий и взаимодействий сверхкоротких лазерных импульсов.
Материал представленной диссертационной работы лежит на стыке двух направлений - светоиндуодрованной оптической анизотропии среды и когерентно-нестационарному взаимодействию коротких световых импульсов в ней. Исследованы особенности светоиндупиро-ванного двулучепреломления резонансной среды в поле когерентных лазерных импульсов и выявлены новые применения этого явления в нелинейной оптике. Интерес к резонанснм средам, как объектам нелинейной оптики, обусловлен рядом факторов: узостью энергетических уровней, возможностью плавного изменения в широких пределах плотности, давления и расстройки резонанса, относительной простотой и наглядностью теоретических интерпретаций, возможностью с помощью буферного газа согласовывать фазовые скорости взаимодействующих волн, слабостью или отсутствием коллективного взаимодействия между атомами.
Цель -работы построение последовательной теории индуцированного оптического двулучепреломления резонансной атомарной среды в поле интенсивного лазерного излучения в условиях когерентно-нестационарного и адиабатического взаимодействий, а также изыскание возможностей их научного и практического применений.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые теоретические результаты по нелинейному взаимодействию когерентноп лазерного излучения с резонансной средой:
-
Построена теория индуцированного оптического двулучепреломления резонансной среды в поле ультракоротких лазерных импул сов. Выявлен переход поляризации пробного излучения из линейноп в эллиптическую с нерегулярными, осщлляциями его эксцентриситет; и направления главных осей.
-
Развита последовательная теория когерентно-нестационарноп изменения поляризации в методе задержки пробного ультракороткоп импульса (УКИ). Определено соотношение между временным ходом релаксации возбуждения в резонансных средах, а также выявлены условия, при которых полезный сигнал отображает ход релаксации.
-
Получены квазиклассические и квантовоэлектродинамические выражения амплитуды (вероятности) когерентной многофотонной отдачи (дифракции) атома в поле резонансных встречных волн (импульсов). Изучены возможности поляризационного метода задерж ки пробного ТКИ для анализа временного хода этого явления.
' 4. Обнаружен переход поляризации пробной волны из линейного в эллиптическую в поле поперечно-ограниченного интенсивного излучения. Найдены компоненты тензора диэлектрической проницаемости паров щелочных металлов на каскадно-резонансных переходах в режиме адиабатического следования.
5. Развита теория для расчета пространственной эволюции среднеквадратичного радиуса лазерного пучка с учетом насыщения показателя преломления резонансной среды. Выявлена скачкообразная зависимость размеров нелинейного фокуса в режиме адиабатического следования, а также обнаружен второй порог самофокусировки в режиме глубокого насыщения. Представлено доказательство совместной фокусировки в одну и ту же точку круговых компонент эллиптически поляризованного излучения при керровской самофокусировке.
Практическая тайность работы. Проведенные теоретические исследования позволили выявить основные закономерности наведеїшя оптической анизотропии в резонансной атомарной среде полем лазерного излучения короткой и ультракороткой длительности, углубить наши представления о когерентном характере взаимодействия поляризованного интенсивного н слабого излучений со средой с вырожденными энергетическими уровнями. Некоторые из рассмотренных явлений (индуцированное изменение поляризации пробного излучения в режиме адиабатического следования при круговой и линейной поляризациях; индуцированное изменение поляризации пробного излучения в среде с хаотически ориентированными (этиловый раствор родамина 6Ю молекулами в условиях двухфотонного резонанса; роль поперечного распределения интенсивности накачки в условиях когерентно-нестационарного взаимодействия; когерентная многофотонная отдача (дифракция) атома в поле резонансных встречных импульсов) наблюдались экспериментально. Получено авторское свидетельство на предложение измерения длительности УКИ по параметрам светоиндупи-рованного эллипса поляризации.
Результаты работы представляют практический интерес также при оптимизации различных нелинейно-оптических процессов в условиях самофокусировки лазерного излучения в резонансных средах.
Основные научные положения, выносимые на защиту;
I. Когерентное нестационарное двулучепреломление, резонансной среды превращает входную линейную поляризацию зондирующего излу-
чения в эллиптическую. Параметры эллипса поляризации зависят как от координат, так и от времени.
-
Развит когерентно-нестащонарный поляриметрический метод, при котором с помощью параметров индуцированного эллипса поляризации определяется длительность одиночного УКИ света.С уменьшением длительности измеряемого импульса надежность регистрации возрастает.
-
Теория индуцированной оптической анизотропии двухфотонно резонансной среды из хаотически ориентированных молекул в поле лазерных импульсов с фенологическим учетом релаксации тока перехода.
-
Представление амплитуды возбувденного состояния двухуровневого атома в поле интенсивного импульса в виде суперпозиции двух состояний, соответствующих адиабатическому и стационарному режимам взаимодействия.
-
Отклонение временного хода сигнала, измеренного при помощи задержки пробного УКИ от экспоненциального закона распада возбуждения (соответствие имеется для достаточно тонких и разреженных сред, а такжэ. при больших значениях расстройки резонанса).
-
Надежность регистрации временного хода когерентной дифракции атомов в резонансном поле встречных волн (импульсов) поляриметрическим методом задержи пробного УКИ.
-
Выявление гиротропных оптических свойств (при круговой поляризации накачки) и оптических свойств одноосных кристаллов (при линейной поляризации накачки), индуцируемых на каскадно-резонансном переходе интенсивным излучением в режиме адиабатического следования.
-
Переход поляризации зондирующего излучения из линейного в эллиптическую в поле поперечно-ограниченной поляризованной накачки (параметры индуцированного эллипса поляризации зависят от поперечных и продольных координат).
-
Немонотонная зависимость размеров нелинейного фокуса от параметров системы при самофокусировке в насыщающейся резонансной среде. Скачкообразный характер этой зависимости в области больших насыщений в режиме адиабатического следования.
10. Теория совместного "охлопывания" круговых компонент эллип
тически поляризованного излучения при резонансной самофокусиров
ке в среде с керровской нелинейностью.
II. Квазиклассическая и квантовоэлектродинамическая теории когерентной многофотонной отдачи (дифракции) атома в резонансном поле встречных -волн.
Основные результаты проведенных исследований можно объединить в научное направление" Индуцированное двулучепреломление резонансной среды в поле лазерного излучения в условиях когерентно-нестационарного (переходного) взаимодействия".
Апробация работы. Основные результаты диссертавдошгай работы докладывались на следующих конференциях, совещаниях и семинарах: II Международной конференции по взаимодействию электронов с интенсивным электромагнитном полем (Будапешт, 1975), IX и XII . Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1978г.; Москва, 1985г.), 711 и X Всесоюзной Вавдловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1981г.,1990г.), XIX Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983г.), III Всесоюзном симпозиуме по световому эхо и когерентной спектроскопии (Харьков, 1985г.), 17 Всесоюзном симпозиума по световому эхо и путям его практических применений (Куйбышев, 1989г.), I симпозиуме по лазерной спектроскопии (Венгрия, 1987г.), II Всесоюзном семинаре по оптической ориентации атомов и молекул (Ленинград, 1989г.), семинаре по нелинейным оптическим процессам в газах (Дивногорск, 1986г.), 7 международном симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Вильнюс, 1987г.).
Структура и объем тшссерташт. Диссертация изложена на 211 страницах основного машинописного текста (включая 66 рисунков и 5 таблиц), состоит из предисловия, пяти глав с введениями( І.І; 2.1; 3.1; 4.1:и 5.1) и заключения. Имеется список литературы, включающий 336 названий цитированных литературных источников.
Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в развитие теории индуцированного оптического дву-лучепреломления в когерентно-нестационарных условиях взаимодействия лазерного излучения с резонансной средой. Автору принадлежит выбор научного направления, постановка и решение конкретных задач. Соавтор работ, вошедших в диссертацию, В.М.Арутюнян, принимал участие в формировании данного направления исследований в начальном этапе, а также в обсуждении результатов. Расчетная ! часть ряда работ по индуцированной анизотропии сред выполнена совместно с учеником-аспирантом Петросяном Л.С. и частично с Ддотяном Г.П., по резонансной самофокусировке - частично с
Войтеком П. и Акопяном Д.Г. Другие соавторы выполняли экспериментальные исследования.
