Введение к работе
Актуальность работы
Проблема сверхширокополосного преобразования фемтосекундных лазерных импульсов, которая включает в себя как получение оптических импульсов предельно коротких длительностей с малым числом осцилляции электрического поля, так и генерацию суперконтинуума с шириной спектра, сравнимой с несущей частотой, является активной областью экспериментальных исследований, а также объектом теоретической физики, изучающей нелинейную динамику волновых полей с временными масштабами, соизмеримыми с периодом поля. Актуальность данного круга задач обусловлена большим количеством приложений в науке, технике и технологии.
Приложения источников широко перестраиваемых импульсов и спектрального суперконтинуума весьма разнообразны [1]: биомедицина, нелинейная спектроскопия [2], экологический мониторинг [3]. Разработка источников суперконтинуума позволила совершить революционный прогресс в оптической метрологии, обеспечив беспрецедентно высокую точность измерений [4]. Источники когерентного суперконтинуума со стабилизированной фазой находят применение в космических исследованиях [5] и развитии навигационных спутниковых систем, позволяя установить привязку между частотами оптического диапазона и радиодиапазона [6].
В качестве приложений предельно коротких импульсов отметим исследование сверхбыстрых процессов, генерацию и детектирование тера-герцового излучения [7, 8]. Предельно короткие сверхмощные импульсы открывают возможности для генерации высоких гармоник [9], формирования аттосекундных импульсов [10], ускорения электронов и ионов [11]. генерации гамма-излучения [11].
В настоящее время активно исследуется проблема сверхширокополосного преобразования фемтосекундных оптических импульсов в различных нелинейных средах, в числе которых волоконные световоды и плазма. Несмотря на разные механизмы нестационарных откликов, под которыми понимается реакция материальной среды на воздействие лазерного поля, внешнее проявление эффектов весьма схоже. При распространении импульсов с достаточно высокой интенсивностью в среде наводятся нелинейные изменения показателя преломления, распределение которых непостоянно в пространстве и времени и зависит от интенсивности лазерного поля. За счет наличия градиента эффективного показателя преломления вдоль направления распространения сигнала различные участки импульсов приобретают разный фазовый набег. Фазовая модуля-
ция вдоль импульсов отвечает появлению новых компонент в частотном спектре, и при дальнейшем распространении за счет дисперсионных эффектов происходит изменение временной структуры сигнала [12]. В волоконных световодах нестационарное распределение показателя преломления вдоль импульсов обусловлено практически мгновенным нелинейным электронным откликом среды и взаимодействием электронного возбуждения атомов с молекулярными колебаниями, а дисперсионные эффекты определяются хроматической дисперсией стекол, из которых изготовлены световоды, и волноводной составляющей [13]. При распространении импульсов в газах в условиях превышения порога ионизации существенный вклад в нестационарное распределение показателя преломления вносит ионизационная нелинейность, а для сверхсильных оптических полей в условиях полной ионизации материальной среды нестационарное распределение показателя преломления вдоль импульсов обусловлено нелинейностью электронного отклика в плазме за счет релятивистских поправок, в то время как дисперсионные эффекты обусловлены законом дисперсии поперечных электромагнитных волн в плазме [14].
Генерация полей фемтосекундных длительностей с широкополосным спектром осуществлялась до недавнего времени главным образом твердотельными лазерными системами, однако, как показали достижения волоконно-оптических технологий последних лет, волоконные лазерные системы с успехом могут претендовать на решение данной задачи, а с точки зрения практического использования имеют значительные преимущества [15]. Уступая по энергетическим характеристикам твердотельным системам, волоконные лазеры и нелинейно-оптические устройства обладают такими преимуществами, как высокая эффективность преобразования энергии накачки в энергию излучения, связанная с волноводной геометрией, эффективный отвод тепла и высокое качество пространственного профиля лазерного пучка, а также низкая стоимость, компактность, отсутствие юстировок в процессе работы.
Волоконные световоды существенно расширяют возможности наблюдения нелинейно-оптических явлений благодаря использованию вол-новодного распространения света. Несмотря на то, что нелинейности кварцевых стекол - традиционных материалов для изготовления волокон -гораздо меньше, чем нелинейности многих кристаллов и жидкостей, большие трассы взаимодействия света с веществом приводят эффективному нелинейному взаимодействию [16].
Мощным толчком для развития волоконной оптики явилось создание оптических волокон с низкими потерями [17], открывшее возможность создания высокоскоростных волоконно-оптических систем связи. Это сти-
мулировало разработку целого ряда световодов, включая световоды со смещенной дисперсией групповых скоростей, волокна с изменяющейся по длине дисперсией и др. [18, 19]. Однако, область применения волокон оказалась значительно шире, чем системы связи [1]. Стартуя с лазерных источников с синхронизацией мод, в различных типах световодов были получены предельно короткие импульсы [20-23], спектральный суперконтинуум и частотно-перестраиваемые импульсы (см. [24-26] и цитированную там литературу). Однако, проблема преобразования импульсов с высокой эффективностью в заданном спектральном диапазон все еще требует внимания исследователей.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование сверхширокополосного преобразования фемто-секундных импульсов, в том числе получение и измерение предельно коротких импульсов с малым числом осцилляции электрического поля, генерация спектрального суперконтинуума, перестройка в диапазоне, сравнимом с несущей частотой, в средах с нестационарным нелинейным откликом - волоконных световодах и прозрачной плазме, включая
-
генерацию предельно коротких импульсов, содержащих малое число осцилляции оптического поля, в кварцевых световодах со смещенной длиной волны нулевой дисперсии;
-
исследование генерации дисперсионных волн и повышение их частоты в диапазоне 0.8-1.2 мкм при взаимодействии с фундаментальными солитонами, а также солитонами высших порядков в волоконных световодах;
-
получение частотно-перестраиваемых импульсов в диапазоне длин волн свыше 2 мкм, а также суперконтинуума со спектральной шириной более октавы в германо-силикатных световодах;
-
демонстрацию возможности получения сверхмощных предельно коротких импульсов при самокомпрессии субпетаваттных импульсов на плазменной кильватерной волне.
Научная новизна
-
Впервые в полностью волоконной эрбиевой лазерной системе, базирующейся на применении стандартных телекоммуникационных компонент, получены предельно короткие импульсы, содержащие два периода оптических колебаний. Минимальная длительность импульсов на длине волны 1.7 мкм составляет 13 фс.
-
В приближении геометрической оптики получены аналитические оценки сдвига частоты дисперсионных волн при взаимодействии в различных режимах с фундаментальными солитонами и солитонами высших
порядков, достаточно высокая точность которых подтверждена математическим моделированием.
-
Впервые показано, что в германо-силикатных световодах с оптимизированными параметрами рамановская перестройка длины волны фемтосекундных солитонных импульсов может быть осуществлена в сверхширокополосном диапазоне 1.6-2.5 мкм.
-
Показана возможность самокомпрессии субпетаваттных импульсов до предельно коротких длительностей (~10 фс на длине волны 800 нм) при взаимодействии в релятивистском режиме с плазменной кильватерной волной.
Практическая значимость
-
Развитые в диссертации методы генерации предельно коротких импульсов, содержащих малое число осцилляции электрического поля, в волоконных световодах могут быть использованы для биомедицинских и научных приложений, включая генерацию и детектирование терагерцово-го излучения, эксперименты типа "накачка-зондирование", нелинейную микроскопию и спектроскопию.
-
Развитые в диссертации методы формирования перестраиваемых фемтосекундных импульсов в диапазоне длин волн 0.8-1.2 мкм в волоконных световодах могут быть использованы при создании оптических параметрических усилителей света для получения сверхсильных оптических полей.
-
Развитые методы генерации ультракоротких импульсов в диапазоне вблизи 1 мкм, проведенное математическое моделирование и аналитические оценки усиления этих импульсов в иттербиевых световодах могут быть использованы при создании гибридных эрбий-иттербиевых волоконных лазерных систем с высокой энергией в импульсе.
-
Исследована возможность получения фемтосекундных оптических солитонных импульсов в диапазоне длин волн 2-2.5 мкм, безопасном для зрения человека, что может быть использовано при разработке лазерных систем для дистанционного мониторинга, задач спектроскопии и медицины.
-
Перестраиваемые по длине волны в германо-силикатных световодах солитоны могут быть использованы при разработке мощных гибридных систем в качестве затравочных импульсов для дальнейшего усиления в активных средах с широкими полосами усиления. Представляется перспективным усиление импульсов в диапазоне 1.85-2 мкм в тулиевых световодах, а также в диапазоне 2.25-2.5 мкм в кристаллах Cr:ZnSe и Cr:ZnS.
-
Продемонстрировано, что метод кросс-корреляционного оптиче-
ского стробирования со спектральным разрешением (XFROG) может применяться не только для реконструкции оптического поля ультракоротких импульсов, но и для установления многомодовости световодов и оценки нестабильности времени прихода сигнала.
7. Продемонстрировано, что метод спектральной фазовой интерферометрии для прямой реконструкции электрического поля (SPIDER) может с успехом применяться для измерения сверхсильных полей предельно коротких импульсов субпетаваттного класса мощности.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
В кварцевых световодах со смещенной длиной волны нулевой дисперсии могут быть сформированы импульсы предельно коротких длительностей, содержащие до двух периодов осцилляции электрического поля в диапазоне 1.6-2 мкм.
-
Кварцевые световоды со смещенной длиной волны нулевой дисперсии могут быть использованы для создания фемтосекундных импульсов в диапазоне 0.8-1.2 мкм при использовании в качестве накачки эрби-евой волоконной системы на длине волны 1.5 мкм.
-
В германо-силикатных световодах возможна перестройка длины волны оптических импульсов в сверхшироком диапазоне 1.6-2.5 мкм, а также генерация спектрального суперконтинуума в диапазоне 1-2.6 мкм.
-
Прямая реконструкция электрического поля лазерных импульсов на основе метода SPIDER позволяет выявить самокомпрессию суб-петаваттных импульсов до предельно коротких длительностей (~10 фс на длине волны 800 нм) при взаимодействии в релятивистском режиме с плазменной кильватерной волной.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, XIII Конкурсе работ молодых ученых ИПФ РАН, а также на 6 международных и российских научных конференциях (в том числе лично -на 4): 5th EPS-QEOD EUROPHOTON Conference "Solid State, Fibre, and Waveguide Coherent Light Sources" (Стокгольм, Швеция, 2012), Ultrafast Optics VIII (Монтерей, США 2011), International Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/Europe- IQEC (Мюнхен, Германия, 2011), 4th International Conference "Frontiers of Nonlinear Physics" (Нижний Новгород, 2010) 15-й и 17-й Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2010, 2012).
Результаты, полученные в ходе выполнения работы, рекомендованы в Отчет РАН за 2012 г.
Проведенные исследования были отмечены дипломом I степени на XIII Конкурсе работ молодых ученых ИПФ РАН, поощрительными ди-
пломами XV и XVII Нижегородских сессий молодых ученых, поддержаны грантом для аспирантов и молодых ученых без степени Фонда некоммерческих программ "Династия" в 2012-2013 гг., стипендией им. академика Г.А. Разуваева в 2011-2012 гг., стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики в 2012-2014 гг, грантом РФФИ (12-02-31344 мол_а), грантом для целевых аспирантов ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы (Гос. соглашение 14.132.21.1433), грантом Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники (договор №8 от 10.08.2012), грантом Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по программе "УМНИК" (гос. контракт №8231р/13080 от 30.06.2010 г.).
Результаты исследований также использовались при выполнении работ по грантам РФФИ (12-02-33074 мол_а_вед, 12-02-12101-офи_м, 10-02-01241-а), по гранту Президента РФ МК-4902.2011.2, по ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 -2013 годы (Гос. соглашения 8626, 14.В37.21.0770, 07.514.11.4147), по программе Президиума РАН на 2009-2011 и 2012-2014 гг. Экстремальные световые поля и их приложения, по программе "СТАРТ" Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (гос. контракт №9235р/15010 от 06.05.2011), по программе "СТАРТ-НН" Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере совместно с Министерством промышленности и инноваций Нижегородской области (договор №11 от 14.09.2011).
По теме диссертации опубликовано 13 работ, из которых 7 статей в реферируемых научных журналах из списка ВАК [А1-А7] и 6 тезисов докладов.
Достоверность
Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого служит хорошее качественное и количественное совпадение аналитических и численных расчетов и экспериментально полученных различными методами результатов. В исследованиях применялись надежные и хорошо апробированные методы численного расчета, позволяющие производить проверку правильности их работы на хорошо известных моделях. Физическая трактовка полученных результатов, базирующаяся на обоснованных в работе моделях, согласуется с существующими представлениям и литературным данными. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих ми-
ровых и российских журналах, докладывались на российских и международных конференциях, обсуждались на семинарах ИПФ РАН.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задач и определении направлений исследований. Все результаты оригинальных теоретических исследований, представленные в главах 1-3, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал участие в экспериментах. Автором проведена обработка и физическая интерпретация всех представленных в работе экспериментальных измерений, а также их сопоставление с теоретическими результатами. Отдельные экспериментальные измерения, приведенные в главах 2 и 3, выполнены в ИПФ РАН А.В. Андриановым, СВ. Муравьевым и М.Ю. Коптевым. Экспериментальные измерения по главе 4 выполнены в университете им. Г. Гейне, Дюссельдорф, Германия группой проф. О. Вилли.
Структура и объем диссертации
