Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью Воронин, Александр Александрович

Введение к работе

Актуальность работы

Обладающие сильной нелинейностью и управляемой дисперсией фотонно-кристалличе- ские волокна являются подходящим материалом для создания компактных и эффективных преобразователей частоты, использующихся в микроскопии, спектроскопии, микроскопии биологических структур, оптических линиях связи, а также в физике сверхкоротких импульсов и технологиях на их основе. Возникающие при спектральном преобразовании сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических (ФК) волокнах нелинейно-оптические солитонные эффекты дают возможность эффективной генерации суперконтинуума и генерации перестраиваемых по частоте импульсов. На основе этих явлений возможно создание удобных волоконных источников излучения для нелинейной спектроскопии , мультиплексной когерентной микроскопии комбинационного рассеяния света , визуализации биологических объектов и эндоскопии , а так же для оптической информации и телекоммуникационных технологий. Рамановский эффект в материале оптического волокна приводит к возникновению запаздывающей части оптической нелинейности, индуцируя красный сдвиг сверхкоротких лазерных импульсов, распространяющихся в волокне. В режиме аномальной дисперсии это явление, известное как солитонный самосдвиг частоты (ССЧ), позволяет перестраивать длину волны коротких лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне. Наиболее богатый спектральный состав в генерируемом излучении часто получается в режимах, которые включают в себя комбинацию нескольких нелинейно-оптических процессов и влияние дисперсии среды. Наиболее яркими примерами подобного типа взаимодействий являются генерация суперконтинуума в высоконелинейных волокнах или филаментах. Филаментация сверхкоротких лазерных импульсов - одно из наиболее интересных открытий в современной оптике. В оптике сверхбыстрых процессов филаментация лазерного излучения находит все больше применений как мощный метод компрессии импульсов, позволяя возможность генерации импульсов с длительностями в несколько периодов оптического поля со стабильной фазой огибающей с высокой пиковой мощностью внутри широкого диапазона частот от дальнего ультрафиолетового (УФ) до ближнего и среднего инфракрасного (ИК).

Эффективность взаимодействия лазера с веществом растет по закону IX², где I - интенсивность поля, X - длина волны излучения, поэтому важной задачей является поиск практического решения проблемы генерации сверхкоротких импульсов с большой длиной волны и высокой мощностью, эти поиски привели к возрождению газовых лазеров, работающих в среднем ИК диапазоне. Известно, что столкновительное уширение вращательных и колебательных линий активной среде CO₂ лазеров, дает широкую спектральную полосу для эффективного усиления пикосекундных лазерных импульсов. Газовые лазеры, использующие этот принцип, недавно достигли тераваттного уровня пиковой мощности, открывая перспективные возможности ускорения частиц до релятивистских скоростей и исследования новых интересных режимов взаимодействия лазерного поля с веществом.

Цель диссертационной работы состоит в теоретическом исследовании новых физических эффектов и разработке новых эффективных методик управления спектром сверхкоротких лазерных импульсов с помощью микроструктурированных волокон, генерации мощных перестраиваемых по частоте сверхкоротких лазерных импульсов в полых волноводах и высокоэффективной компрессии мощных лазерных импульсов в условиях сверхбыстрой ионизации.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

1. Энергия выходящих из ФК волокон спектрально преобразованных импульсов обычно достаточно мала, что серьёзно ограничивает спектр приложений подобных источников света в науке и оптических технологиях. Проведённый в работе анализ показывает, что пиковая мощность перестраиваемых по частоте солитонов в ФК волокне может достичь мегаваттного уровня.

2. Дисперсия высших порядков, волоконные потери, частотная зависимость оптической нелинейности, как известно, факторы, замедляющие солитонный самосдвиг частоты (ССЧ) В работе показано, что самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса является важным фактором, приводящим к замедлению ССЧ.

3. В общем случае профиль спектральной фазы суперконтинуума шириной в несколько октав имеет тенденцию быть чрезмерно сложным для целей прямой компрессии. Проведенный в работе анализ открывает технологию синтеза импульсов длительностью в несколько периодов поля с помощью когерентного сложения сдвинутых по частоте солитонов, полученных в ФК волокне, работающем в многосолитонном режиме.

4. Такие оптические процессы, как когерентная рамановская микроскопия, оптимальное усиление излучения волоконных лазеров, или передача оптической информации без искажений, часто требуют спектрального сужения световых импульсов одновременно с возможностью перестройки их центральной частоты. В работе продемонстрировано, что фемтосекундные лазерные импульсы могут быть спектрально сжаты в режиме ССЧ.

5. Высокая чувствительность ССЧ к мощности начального импульса вызывает серьёзные трудности в основанных на эффекте ССЧ волоконно-оптических системах. В работе показано, что управление волоконной дисперсией и нелинейностью помогает оптимизировать волоконные компоненты для стабильного относительно флуктуаций мощности накачки

ССЧ.

6. Увеличение интенсивности излучения лазерных систем и расширение области применений оптики сверхбыстрых процессов к реальным сложным системам, требует развития эффективных и практически осуществимых методов нелинейно-оптических спектральных преобразований световых импульсов длительностью в несколько оптических периодов поля. В работе показано, что взаимодействие сверхкороткого импульса поля с когерентно возбужденной комбинационно-активной средой позволяет генерировать перестраиваемые по частоте мультигигаваттные световые импульсы длительностью меньше половины периода оптического поля.

7. В отличие от титан-сапфировых усилителей лазерных импульсов, иттербиевые усилители с диодной накачкой открывают перспективные возможности увеличения мощности из-за низкого квантового дефекта. Ключевой недостаток сверхкоротких импульсов иттер- биевых систем - узкая полоса усиления допированных иттербием материалов, что ограничивает минимальную длительность импульса непосредственно после усилителя около 200 фс. В работе моделировано спектральное уширение и последующая компрессия мили- джоулевых импульсов, полученных в новом широкополосном одностадийном Yb;Na:CaF2 усилителе, до длительности 20 фс.

8. Основное ограничение метода филаментационной компрессии импульсов связано с сильным пространственным чирпом, приобретаемым лазерным пучком в процессе фила- ментации. Как следствие, обычно необходима пространственная фильтрация с помощью диафрагмы для выбора параксиальной части пучка, которая дает самую высокую степень компрессии, но значительно уменьшает энергию сжатых импульсов. В работе определён перспективный сценарий филаментационной компрессии импульса, который позволяет получить компрессию сверхкоротких лазерных импульсов с высоким энергетическим выходом.

9. Спектральные полосы усиления CO₂ лазеров, даже при высоких давлениях газа, слишком узки для генерации импульсов среднего ИК диапазона длительностью порядка нескольких колебаний поля, что ограничивает применимость мощных CO₂ лазеров в науке о сверхбыстрых процессах и ее приложениях. В работе показано, что спектральное ушире- ние лазерных импульсов в заполненном газом полом волноводе может быть использовано для компрессии генерируемого на современных газовых лазерах субджоулевых 10.6-мкм импульсов до нескольких оптических периодов.

Научная новизна

9. 1. Показано, что управление дисперсией и нелинейностью микроструктурированных световодов с большой площадью моды обеспечивает одномодовый режим генерации импульсов пиковой мощности несколько сотен киловатт.

   2. Выявлено, что явление самоукручения заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самосдвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра солитона в сильно нелинейном волокне.

   3. Показано, что солитонный самосдвиг частоты в сильно нелинейных световодах при условиях нормальной дисперсии третьего порядка сопровождается сужением спектра со- литонного импульса.

   4. Предложена методика синтеза импульсов длительностью несколько оптических периодов мегаваттного уровня мощности когерентным сложением самосдвинутых по частоте солитонов на выходе микроструктурированного световода.

   5. Показано, что спектральное отталкивание солитонного импульса, вызванное смещённой в длинноволновую часть спектра дисперсионной волной, стабилизирует солитонный сдвиг частоты в сильно нелинейном ФК волокне по отношению к колебаниям мощности накачки.

   6. Выявлено, что сильная инерция оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к асимметричному уширению спектра с усилением длинноволновой части спектра на выходе волокна, зависящему от длительности импульса.

   7. Продемонстрировано, что взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и им- пульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода. Выявлено, что в результате такого взаимодействия формируется связанное состояние, динамика которого подвержена сильному влиянию солитонных эффектов, препятствующих увеличению длительности лазерных импульсов больше длительности периода оптического поля и обеспечивающих эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе.

   8. Выявлено, что сопровождающаяся фотоионизацией фазовая самомодуляция мульти- миллиджоулевых импульсов в полой сердцевине заполненного инертным газом волновода позволяет реализовать уширение спектра, достаточное для высокоэффективной компрессии до длительности несколько оптических периодов в обычном решеточном компрессоре.

   9. Продемонстрирована высокоэффективная филаментационная компрессия сверхкоротких лазерных импульсов в результате неколлинеарной динамики пучка в лазерно индуцированном филаменте.

   10. Показано, что увеличение с длиной волны критической мощности нелинейного взаимодействия мод полого волновода позволяет осуществить в нём сопровождающееся туннельной и лавинной ионизацией фазовую самомодуляцию субджоулевых пикосекундных импульсов в среднем инфракрасном спектральном диапазоне и их последующую компрессию до длительности около одного оптического периода и пиковой мощности несколько тераватт в обычном решеточном компрессоре.

   Практическая значимость Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для эффективной генерации суперконтинуума, генерации перестраиваемых по частоте импульсов, создания

   удобных волоконных источников излучения для нелинейной спектроскопии и микроскопии, разрешённой по времени спектроскопии, мультиплексной когерентной микроскопии рамановского рассеяния света, визуализации биологических объектов и эндоскопии, для оптической информации и телекоммуникационных технологий, оптической метрологии, стабилизации фазы огибающей сверхкоротких лазерных импульсов, синхронизации импульсов накачки и затравки в процессе параметрического усиления чирпированных импульсов длительностью в несколько периодов поля, когерентной рамановской микроскопии, оптимального усиления излучения волоконных лазеров, физики сверхкоротких импульсов и технологий на ее основе, приложений физики интенсивных аттосекундных полей, филаментации сверхкоротких лазерных импульсов, для передачи энергии электромагнитного излучения на большие расстояния, удаленного зондирования атмосферы, фи- ламентационной компрессии импульсов, генерации предельно коротких импульсов поля высоких интенсивностей.

   На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

   9. 10. 1. Самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самосдвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра солитона в сильно нелинейном волокне. Солитонный самосдвиг частоты при этих условиях с хорошей точностью описывается простым аналитическим выражением, которое применимо для произвольных спектральных профилей волоконной дисперсии и вынужденного комбинационного усиления и удовлетворяет закону сохранения числа фотонов при вынужденном комбинационном усилении.

          2. Солитонный самосдвиг частоты в этих условиях в сильно нелинейных световодах при условиях возрастающей с длиной волны дисперсии групповой скорости сопровождается сужением спектра солитонного импульса. При сдвиге центральной длины волны частоты импульса длительностью менее 10 фс с 800 нм до 1500 нм в сильно нелинейном волокне спектр импульса сужается в 20 раз.

          3. Взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбуждённых сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет осуществить генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода. Солитонные эффекты, подавляющие дисперсионное расплывание импульса, обеспечивают эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе.

          4. Увеличение критической мощности самовоздействия светового пучка с длиной волны позволяет реализовать эффективное уширение спектра субджоулевых пикосекунд- ных импульсов среднего инфракрасного диапазона и их последующую компрессию до длительности около одного оптического периода.

          Апробация работы

          Основные результаты диссертации докладывались на 10 международных конференциях [38-47].

          Публикации.

          Материалы диссертации опубликованы в 47 печатных работах, из них 37 статей в рецензируемых журналах по списку, рекомендованному ВАК РФ, и 10 статей в сборниках трудов конференций. Наиболее важные работы приведены в списке публикаций [1-37].

          Личный вклад автора Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причём вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации теоретические результаты получены лично автором.

          Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 131 страница, из них 80 страниц текста, включая 33 рисунка. Библиография включает 190 наименований на 15 страницах.

          Похожие диссертации на Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью

          

          Спектрально-временная эволюция предельно коротких импульсов света в прозрачных средах и оптических волноводах с дисперсией и кубической нелинейностьюШполянский, Юрий Александрович

          

          Взаимодействие сонаправленных фемтосекундных спектральных суперконтинуумов в диэлектрических средах с нормальной групповой дисперсией и нерезонансной нелинейностьюБахтин Михаил Александрович

          Динамика оптических импульсов при брэгговской дифракции в геометрии ЛАУЭ в линейных и нелинейных фотонных кристаллахСкорынин, Александр Андреевич

          Динамика оптических импульсов в неоднородных по длине одно- и двухмодовых световодахЯвтушенко Марина Сергеевна

          Когерентная динамика ультракоротких световых импульсов в нелинейных резонансных средахЗаболотский Александр Алексеевич

          Динамика мощных ультракоротких лазерных импульсов в резонансных средахПрокопович, Игорь Петрович

          

          Нелинейная динамика предельно коротких оптических импульсовСкобелев Сергей Александрович

          

          Динамика сильных полей световых импульсов из малого числа колебаний в диэлектрических средахШтумпф Святослав Алексеевич

          

          Динамика солитоноподобных предельно коротких импульсов в одноосных кристаллах Халяпин Вячеслав Анатольевич

          

          Исследование динамики ионизации атомов короткими лазерными импульсами и многозарядными ионамиКондорский Алексей Дмитриевич