Введение к работе
Аісгуальность темы
Одной из актуальных тем исследований в области лазерной оптики является получение сверхкоротких световых импульсов с высокой плотностью мощности. Интерес связан как с фундаментальными научными проблемами, например, с рождением электрон-позитронных пар из вакуума, так и с практическими приложениями, такими, как создание лазеров рентгеновского диапазона, плазменных ускорителей и т.д.
Вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) является одним из эффективных методов генерации [1, 2], а также временной компрессии (временного сжатия) импульсов нано- и пикосекундной длительности [3]. Основной принцип временной компрессии при обратном вынужденном рассеянии заключается в том, что активную среду заполняет импульс накачки большой длительности, навстречу которому распространяется стоксов импульс значительно меньшей длительности. Переход энергии из импульса накачки в излучение на стоксовой частоте, возникающий в результате их встречного взаимодействия, приводит к усилению стоксова импульса при сохранении практически неизменной его временной формы. Исследования компрессии при обратных вынужденных рассеяниях с использованием нано- и пикосекундных импульсов проводились с середины 60-х годов прошлого столетия [4, 5], но, несмотря на большое количество работ по данной теме, возможность использования процесса ВКР для получения импульсов фемтосекундных длительностей осталась за их рамками.
Плотность мощности выходного излучения при ВКР генерации и компрессии мощных сверхкоротких импульсов ограничивается, как правило, возникновением оптического пробоя, и поэтому в качестве среды для ВКР компресии целесообразно использовать плазму - среду, которая сама создается во время оптического пробоя. В настоящее время особенности получения импульсов фемтосекундной длительности с использованием обратного ВКР в плазме только начинают исследоваться [6,7, A3].
Другой возможностью компрессии мощных лазерных импульсов пикосекундной длительности до фемтосекундной может быть использование попутного ВКР в сжатом газе. В данном диапазоне длительностей использование разницы групповых скоростей волн накачки и Стокса позволяет проводить эффективную временную компрессию лазерных световых импульсов в схеме попутного ВКР [8, А1]. При этом особенности использования этого механизма для генерации импульсов фемтосекундных длительностей, а также влияние поперечной структуры лазерного пучка
накачки на процесс формирования выходного усиленного и компрессированного сигнала на стоксовой частоте до сих пор подробно не исследовались.
Таким образом, актуальными по-прежнему являются анализ основных закономерностей процесса формирования фемтосекундных импульсов при временной компрессии при попутном и обратном ВКР в различных средах, поиск оптимальных значений параметров систем и взаимодействующих волн, а также выявление негативных факторов, снижающих эффективность генерации мощных сверхкоротких импульсов, и способы их подавления.
Цель диссертационной работы
Цель работы заключалась в изучении процессов компрессии мощных лазерных импульсов длительностью ~ 1...10 пс до фемтосекундного диапазона длительностей (~ 100 фс) при ВКР.
В ходе выполнения диссертационной работы решались следующие задачи:
Вывод систем уравнений, описывающих процессы (1) обратного ВКР в неоднородной плазме и (2) попутного ВКР в сжатом газе с учетом дифракционных эффектов.
Поиск и адаптация методов численного решения полученных систем интегро-дифференциальных уравнений и создание компьютерных программ численного моделирования процессов обратного и попутного ВКР.
Определение оптимальных условий процесса передачи энергии короткому стоксову импульсу при обратном ВКР в плазме.
Анализ влияния неоднородности среды и формы входного стоксова сигнала на эффективность ВКР компрессии лазерных импульсов в плазме.
Исследование влияния параметров среды и накачки на процесс компрессии при попутном ВКР в сжатом газе.
Выявление особенностей распространения лазерных пучков накачки в ВКР активной среде при компрессии, а также поиск оптимальных значений параметров лазерных пучков накачки для достижения наибольшей эффективности преобразования при попутном ВКР.
Научная новизна
Впервые показано, что при компрессии пикосекундных импульсов в плазме при обратном ВКР негативное влияние шумовой компоненты на
конечную форму импульса Стокса может быть скомпенсировано за счет неоднородности плазмы.
Впервые определена область оптимальных значений параметров -коэффициента стационарного ВКР и дисперсии групповых скоростей - для достижения наибольшей эффективности компрессии, и преобразования энергии при попутном ВКР в сжатом газе.
Впервые исследовано влияние дифракционных эффектов на компрессию и усиление стоксова пучка различной начальной формы при попутном ВКР. Показано, что в оптимальных условиях преобразования возможно получение на выходе среды одиночного стоксова пучка высокой мощности фемтосекундной длительности.
Научные положения, выносимые на защиту
При обратном ВКР пикосекундных импульсов в плазме наибольшая эффективность компрессии и коэффициента преобразования достигается в однородной плазме в стационарном режиме усиления.
В стационарном режиме обратной ВКР компрессии определено оптимальное значение степени неоднородности плотности плазмы, при котором наблюдается резкое увеличение эффективности компрессии и усиления, связанное с возрастанием волновой расстройки от передней к хвостовой части стоксового импульса и подавлением формирования нескольких пичков в стоксовом импульсе.
При обратном ВКР пикосекундных импульсов в однородной плазме наличие длинного предымпульса в коротком импульсе Стокса снижает эффективность компрессии и преобразования энергии. При использовании неоднородной плазмы негативное влияние предымпульса снижается. Определено оптимальное значение параметра неоднородности, при котором эффективность компрессии достигает максимума.
При попутном ВКР пикосекундных импульсов в газовых средах с нормальной дисперсией групповых скоростей в сверхрегенеративном (при начальной плотности мощности накачки выше порога ВКР) режиме компрессии, доля энергии, преобразованной из излучения накачки в излучение на стоксовой частоте, превышает 50% при длительности выходного стоксового импульса в 15-17 раз меньшей начальной длительности импульса накачки.
При попутном ВКР пикосекундных импульсов в газовых средах наибольшая эффективность компрессии и ВКР-преобразования достигается для пучков с гауссовым и супергауссовым распределением амплитуды и фазы, распространяющихся в активных волноводах,
характеризуемых числами Френеля N«, > 1, при обычных для сжатых газов коэффициентах усиления порядка 2 см/ГВт. Это обусловлено уменьшением влияния обратной перекачки энергии из волны Стокса в волну накачки и подавлением вторичных пиков в стоксовом импульсе.
Достоверность результатов
При решении дифференциальных уравнений, описывающих процессы ВКР, использовались стандартные численные схемы и методы: метод Рунге-Кутта второго порядка, метод расщепления по координатам, метод конечных элементов. Для проверки правильности и адекватности полученных решений проверялось выполнение закона сохранения энергии, а также проводилось сравнение полученных результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами, и аналитическими оценками.
Теоретическая и практическая значимость работы
Разработанное теоретическое описание ВКР-компрессии при обратном ВКР в плазме и попутном ВКР в сжатом газе может быть использовано при проектировании и создании мощных лазерных систем.
Анализ влияния пространственных характеристик пучков на эффективность преобразования при попутной ВКР компрессии позволяет рекомендовать к использованию в ВКР-компрессорах пучки супергауссовой формы, поскольку, в отличие от пучков гауссовой формы, они менее подвержены искажению переднего фронта.
Разработанный программный пакет может быть использован при дальнейших исследованиях взаимодействия сверхкоротких импульсов при попутном и обратном ВКР в различных средах.
Оптимальные значения параметров среды и взаимодействующих волн, полученные путем анализа результатов численного моделирования, могут быть использованы при постановке экспериментальных исследований.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы были представлены на международных научных конференциях "Оптика" (Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2005, 2007, 2009), российской научно-практической конференции "Оптика и научное приборостроение - 2000", (Санкт-Петербург, 2000), международной конференции по лазерной оптике для молодых ученых LO-YS'2000 (Санкт-Петербург, 2000), международной конференции Photonics
West, LASE 2001 (Сан-Хосе, США, 2001), молодежной научной школе "Нелинейные волны-2002" (Нижний Новгород, 2002), международной конференции молодых ученых IQEC/LAT-YS, (Москва, 2002), научных и учебно-методических конференциях СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005-2010), III и IV межвузовских конференциях молодых учёных (Санкт-Петербург, 2006, 2007), международном оптическом конгрессе ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (Санкт-Петербург, 2006), IV международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 24 печатные работы, 5 из них - в изданиях, входящих в «Перечень ведущих периодических изданий» ВАК.
Личный вклад
Все представленные в диссертации результаты получены и выполнены лично автором или при его непосредственном участии. Научному руководителю В.Г. Беспалову принадлежит постановка общей темы исследований и формулировка отдельных задач.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы, содержащего 65 наименований. Она изложена на 103 страницах, включая 40 иллюстраций и 2 таблицы.
