Введение к работе
Достижения лазерной физики последних лет позволили реализовать генерацию когерентного излучения,сверхбольшой интенсивности: I ~ 10 - 10і 2 Вт/см2 непосредственно в активных средах и I ~ 101S - 10's Вт/см2 при фокусировке лазерных пучков. Генерация такого излучения (при сравнительно небольшой энергии Е ~ 0,1 Дж) достигается сокращением длительности лазерных импульсов за счет специальных режимов их усиления или компрессии. Рекордные интенстивности I получены для импульсов пико- и фемтосекундного диапазона.
Уникальные возможности ультракоротких импульсов (УКИ) мощного когерентного излучения уже в настоящее время используются в многочисленных исследованиях и прикладных задачах. В то же время многие вопросы их генерации, усиления, компрессии остаются не исследованными, и среди них такие принципиальные как предельные параметры "сверхсильных" УКИ. Это связано, с. одной стороны, с большой шириной частотного спектра интенсивных УКИ, что требует учета реальной структуры спектра активных сред, часто довольно сложной. При этом двухуровневое приближение или другие простые модели активной среды, удовлетворительно описывающие взаимодействие с относительно длинными лазерными импульсами, становятся принципиально неприменимыми. С другой стороны, при больших интенсивностях излучения становятся актуальными многие нелинейные эффекты, не существенные для УКИ относительно небольшой мощности: фазовая -самомодуляция, ионизация активной среды усиливаемым излучением, оптический эффект Штарка, индуцированное уширение спектральных линий и др. Эти эффекты не только определяют предельно достижимые-параметры УКИ в мощных лазерных системах, но и могут приводить к принципиально новым режимам усиления излучения в активных средах (или волнового
взаимодействия мощного излучения в пассивных средах). В свою очередь, сами эти эффекты могут быть использованы для формирования пико- и фемтосекундных импульсов в ИК диапазоне (где известные методы генерации УКИ малоэффективны), для генерации солитонов излучения с необычными свойствами и др. Поэтому исследования процессов, определяющих предельно достижимые параметры мощных УКИ в реальных активных средах, исследования режимов распространения, усиления и компрессии таких импульсов, разработка моделей для количественного описания этих процессов являются актуальными проблемами теории и эксперимента современной лазерной физики.
Актуальность этих исследований определяется также тем, что при фокусировке мощных лазерных пучков достигаются поля, сравнимые и даже превышащие внутриатомные. При этом могут проявляться новые фундаментальные свойства вещества. Поскольку сверхсильные поля при генерации и фокусировке мощных УКИ могут быть реализованы на лазерных установках с относительно небольшой энергей (в отличие от сверхмощных и сверхдорогих установок типа Nova, Shiva) можно прогнозировать интенсивные исследования этих свойств в ближайшем будущем. В связи с этим разработка соответствующих теоретических моделей, их тщательное аналитическое и компьютерное обоснование представляются особо актуальными. Следует отметить важность таких разработок и в связи со сложностью современных экспериментов, а также со сложностью интерпретации их результатов.
Взаимодействие с резонансными средами УКИ инфракрасного диапазона имеет дополнительные особенности. Как и для УКИ других спектральных диапазонов, существенным является учет реальной структуры резонансной среды (для молекулярных сред, используемых в М диапазоне, учет колебательной (вращательной) структуры спектра
может иметь принципиальный характер). Главная же специфика взаимодействия с мощным инфракрасным излучением состоит в большой ионизационной нелинейности (в возможности эффективной генерации волны электронной плотности). При этом, если нелинейности, характерные для видимого диапазона, убывают с ростом длины волны излучения К то ионизационная нелинейность, наоборот, с ростом Л - увеличивается. С ростом А растет и пондеромоторное воздействие излучения на свободные носители (пондеромоторная сила ~ Аг). Это определяет специфику взаимодействия мощного сфокусированного ИК излучения с плазмой. Наконец, взаимодействие интенсивного ИК излучения с отдельными атомами (ионами) также обладает характерными особенностями ввиду туннельного характера протекания нелинейных процессов.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследование процессов генерации, усиления и компрессии УКИ лазерного излучения большой интенсивности (основное внимание уделяется УКИ ИК диапазона), а также исследование их взаимодействия с веществом.
Научная новизна: впервые описываются новые режимы усиления мощных УКИ (в том числе и с фазовой модуляцией) в лазерных усилителях и новые режимы их распространения в резонансных пассивных и смешанных средах. Предсказаны и описаны новые физические эффекты взаимодействия вещества со сверхсильным лазерным полем: эффект локального подавления туннельной ионизации, эффект подавления генерации (4п-1)-х оптических гармоник, новый канал нагрева плазмы в сверхсильном лазерном поле и др.
Практическая значимость. На основе выполненных исследований предложены новые схемы генерации пико- и субпикосекундных УКИ в ИК (Л 10 мкм) диапазоне, где традиционные методы не эффективны. Исследована динамика усиления и определены предельные параметры мощных
УКИ в газоразрядных активных средах, сформулированы рекомендации по оптимальным параметрам газоразрядных лазерных усилителей (размерам, давление, методам накачки). Исследована применимость метода "усиления чирпированных импульсов" (УЧИ) к лазерным системам на С02. Показана возможность нового канала нагрева плазмы в сверхсильном лазерном поле (когда"тормозное поглощение становится не эффективным). Предложена схема стрик-камеры, основанной на качественно новых принципах, которая позволяет улучшить временное разрешение на 3-4 порядка и измерять длительности фемто- и субфемтосе-кундных лазерных импульсов. Основные защищаемые положения;
1. В средах типа "синглет-мультиплет" возможно существенное уменьшение числа актуальных уравнений для матрицы плотности, если расщепление мультиплета АП < 1/ти (ти - длительность УКИ) и дипольные моменты резонансных переходов не сильно отличаются друг от друга. Независимо от числа уровней в мультиплете матрица плотности в этом случае приводится всего к трем величинам: эффективной инверсии, высокочастотной и низкочастотной когерентности.
Низкочастотная когерентность (НЧК) - новая динамическая переменная, отсутствующая в двухуровневой среде - наиболее сильно проявляется в системах с небольшой скоростью дефазировки состояний мультиплета. НЧК может приводить к генерации лазерных импульсов с крутым фронтом, к потере когерентности усиления, к немонотонной зависимости предельной энергии усиливаемых импульсов от их длительности. Специальное возбуждение НЧК позволяет увеличить эффективность усиления, либо (при сохранении этой эффективности) уменьшить уровень накачки активной среды и, соответственно, уровень спонтанного излучения, которое в средах с большим коэффициен-
том усиления ограничивает предельные параметры усиливаемых импульсов.
-
Среды типа набора двухуровневых систем могут эффективно использоваться для реализации различных режимов усиления. В случае набора систем с приблизительно эквидистантными частотами переходов основные отличительные свойства среды определяются эффектом периодической фазировки поляризаций отдельных переходов ? . В усиливающих средах это приводит к генерации цугов УКИ со сверхбольшой частотой повторения. В пассивных средах этот эффект можно использовать в спектроскопических целях, ' например, при генерации многократного оптического эха. В отличие от обычного оптического эха (кроме многократности) в этом случае не требуются дополнительные гс-импульсы.
-
В газовых нелинейных средах необходимость рассмотрения многоуровневых систем (кроме сложности спектральной полосы) связана также с пространственным вырождением энергетических уровней. Учет этого вырождения позволяет определить структуру спектральной линии (линии усиления), а также исследовать поляризационные особенности различных нелинейных процессов. Например, особенности поляризационных характеристик квазирезонансного комбинационного рассеяния (КР) на сложных молекулах (по сравнению с нерезоиансным случаем) возникают лишь для Q-ветви рассеяния. Эти особенности имеют существенно разный характер для молекул с разрешенной и неразрешенной k-структурой вращательного спектра.
Поляризационные особенности в ряде случаев, имеют принципиальное значение, например, для разделения укладов различных нелинейных процессов, для определения поляризаций взаимодействующих полей, при которых эффективность нелинейного процесса максимальна. Для пороговых процессов поляризации полей "могут определять не
только эффективность процесса, но и его характер. Такая ситуация реализуется, например, в предложенном методе резонансной подсветки (при исследовании процессов ГКР, ВКР на электронны*' переходах), который является разновидностью метода активной спектроскопии. Определенным выбором поляризаций взаимодействующих полей можно увеличить эффективность и устранить порог рассеяния. 4. Взаимодействие излучения со свободными носителями является существенным фактором самовоздействия Ж импульсов. Его можно использовать для эффективной генерации пико- и субпикосекундных импульсов в Ж (А ~ 10 мкм) диапазоне, где традиционные методы такой генерации не эффективны. Такое взаимодействие можно организовать за счет генерации волны электронной плотности (ВЭП) в газоразрядных или полупроводниковых средах за счет фото- или ударной ионизации в режиме само- или кросс-модуляции.
Существуют два механизма укорочения УКИ за счет ВЭП: активный - за счет поглощения энергии излучения свободными носителями и реактивный, при котором потери энергии отсутствуют. Реактивный меха- ' низм эффективен лишь одновременно с активным, обеспечивающим монотонность свипирования мгновенной частоты в течение импульса.
В активных средах ВЭП определяет предельные параметры УКИ. При этом сочетание трех нелинейных процессов - усиления, поглощения и дисперсии приводит к большому разнообразию режимов усиления. В длинных усилителях с ВЭП формируются стационарные импульсы, существенно отличающиеся от обычных гс-импульсов. С практической точки зрения важной является немонотонная зависимость параметров усиливаемых импульсов от длины усиления. Оптимизацией этой длины мож- но заметно увеличить энергию или пиковую интенсивность выходного УКИ.
-
Генерация ВЭП в полупроводниках требует гераздо меньшей энергии, чем в газоразрядных средах. Для эффективного чирпирования и компрессии пикосекундных импульсов предпочтительней является не само-, а кросс-модуляция, причем для применения в качестве накачки имеющихся лазерных источников и использования доступных полупроводников следует использовать эффект двух- (или трех-) фотонного поглощения накачки. При этом никакие ограничения на параметры компрессируемых ИК импульсов не накладываются. В полупроводниковых средах возмохно такхе и непосредственное управление длительностью и формой пикосекундных ИК импульсов за счет кросс-модуляции излучения при межзонном или междолинном поглощении, а также "вырезание" УКИ в легированных полупроводниках.
-
Взаимодействие чирпированных лазерных импульсов с резонансными средами является более разнообразным, чем в случае УКИ без фазовой модуляции (ФМ). Наличие ФМ приводит к появлению качественно новых режимов усиления УКИ в активных средах или их распространения в пассивных резонансных средах. С практической точки зрения важное значение имеют режимы модуляции, реализация которых позволяет генерировать цуги УКИ со сверхбольшой (г 10'г Гц) частотой повторения (как фиксированной, так и перестраиваемой), а также режим укорачивания (или режим генерации q-цуга при адиабатическом прохождении резонансов в многоуровневых средах). Последний можно использовать для спектрального экспресс-анализа - регистрации больших участков спектра за один лазерный выстрел.
Исследование усиления чирпированных УКИ в различных активных средах имеет принципиальное значение для реализации метода усиления чирпированных импульсов, который в настоящее время является одним из наиболее перспективных методов генерации сверхсильных ла-
зерных полей. Метод УЧИ может быть эффективным и для молекулярных усилителей высокого давления. Более того, в молекулярных усилителях метод УЧИ обладает дополнительным положительным качеством -наряду с увеличением пиковой интесивности его применение позволяет увеличить и энергию усиливаемых импульсов. Это происходит за счет релаксационных процессов, которые приводят к более полной утилизации энергии, запасенной во вращательных и колебательных "резервуарах" молекулярной активной среды.
7. В мощных усилителях УКИ могут быть существенными волновые про
явления эффектов II порядка по полю, в частности, таких нелинейных
эффектов как оптический эффект Штарка, индуцированное уширение ли
нии и др. Эти эффекты могут приводить к генерации ударных импуль
сов излучения - некогерентных штарковских "квазисолитонов", а так
же истинных штарковских "солитонов", свойства которых существенно
отличаются от простейших стационарных импульсов в активных средах
(ті-импульсов). За счет оптического эффекта Штарка можно реализо
вать специфические режимы пассивной синхронизации мод, в том числе
и с практически безынерционным просветлением.
Расщепление энергетических уровней вследствие оптического эффекта Штарка позволяет снизить давление активной среды в мощных молекулярных лазерных системах, что значительно упрощает их конструкцию и позволяет оптимизировать состав активной среды. Для излучения круговой поляризации снижение давления является более существенным.
8. Под действием пондеромоторной силы мощного сфокусированного из
лучения ("оптического поршня") возможна генерация мощных ультрако
ротких импульсов плотности в плазме (Р ~ 1 Мбар, 4г s і мкм). Ге
нерация таких импульсов открывает новый канал нагрева плазмы в
сверхсильных лазерных полях (когда непосредственный нагрев - за счет тормозного поглощения - становится не эффективным).
Генерация нестационарных профилей плотности плазмы чувствительна к поперечному распределению интенсивности в лазерном пучке. Например, при параболическом распределении интенсивности возможна фазовая модуляция лазерного пучка, однородная по,его поперечному сечению (и, следовательно, однородная компрессия УКИ). При кольцеобразном распределении интенсивности возможна существенная (до нескольких десятков раз) осевая компрессия плазмы. 9. В сверхсильных лазерных полях может наблюдаться новый эффект: локальное подавление туннельной ионизации атомов и ионов, вследствие которого возможны существенная деформация энергетического распределения электронов, появляющихся при такой ионизации, а также изенение нелинейно-оптических характеристик формируемой при этом плазмы.
На основе комбинации процессов иэднофотонной и туннельной ионизации возможна разработка стрик-камеры, базирующейся на качественно новых физических принципах и позволяющей достичь субфемтосе-кундного временного разрешения.
Апробация результатов
Основные результаты, описанные в диссертации, докладывались и. обсуждались на
III Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1973);
Всесоюзных (международных) конференциях по когерентной и нелинейной оптике: VII - Ташкент, 1974; VIII - Тбилиси, 1976; XI -Ереван, 1982; XII - Москва, 1985; XIII - Минск, 1988; XIV - Ле-
нинград, 1991;
I Всесоюзной конференции по спектроскопии комбинационного рассеяния света (Киев, 1975);
IV Всесоюзной конференции по физическим основам передачи информации лазерным излучением (Киев, 1976);
International Symposiums 'on Optical Spectroscopy: IV - Rein-hardsbrunn (Germany), 1986; VI - Neubrandenburg (Germany), 1990;
Международных симпозиумах "Сверхбыстрые процессы в спектроскопии" (UPS): V - Вильнюс, 1987; VI - Neubrandenburg (Germany), 1989;
Ill International Symposium on Modern Optics (Budapest, Hungary, 1988);
II Symposium on Laser Spectroscopy (Pech, Hungary, 1989);
XXVI Colloquium Spectroscopicum internationale CSI'89 (Sofia, Bulgaria, 1989);
- Всесоюзном совещании-семинаре "Солитоны, нелинейная вычисли
тельная и волоконная оптика" (Симферополь, 1990);
Всесоюзных (международных) конференциях "Оптика лазеров": VI -Ленинград, 1990; VII - Санкт-Петербург, 1993;
International Symposium Optics Quebec'93 (Quebec, Canada, 1993);
International Quantum Electronics Conference IQEC'94 (Anaheim, California, 1994).
Международной конференции "Коротковолновое излучение и его применения" (Звенигород, Россия, 1994).
23rd European Conference on Laser Interaction with Matter (Oxford, England, 1994).
