Филаментация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах

На правах рукописиКосарева Ольга ГригорьевнаФиламентация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средахСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный консультант:доктор физико-математических наук,профессорКандидов Валерий ПетровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессорИонин Андрей Алексеевич,Физический институт им.

П.Н. Лебедева РАН,г.Москвадоктор физико-математических наук,профессордоктор физико-математических наук,профессорКозлов Сергей Аркадьевич,Санкт-Петербургский государственныйуниверситет информационныхтехнологий, механики и оптики,г. Санкт-ПетербургФедоров Михаил ВладимировичИнститут общей физики им. А.М. Прохорова РАН,г.МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наукИнститут прикладной физики РАНг.Нижний НовгородЗащита состоится « 17 » мая2012 г в 15.00 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, ул. АкадемикаХохлова, д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А.Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В.Ломоносова.Автореферат разослан «___»Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31,доцент22012 гТ.М.

ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыЯвление филаментации мощного фемтосекундного лазерного излучения состоит влокализации энергии светового поля в тонкой протяженной нити филамента поддействием самофокусировки в среде и нелинейности в самонаведенной лазерной плазме,ограничивающей коллапс пучка. Филаментация наблюдается в газообразных, жидких итвердых прозрачных диэлектриках и сопровождается формированием плазменныхканалов, сверхуширением частотного и углового спектров импульса, генерациейтерагерцового излучения, компрессией импульса и другими нелинейно-оптическимиэффектами. Длина филамента, то есть области, где интенсивность достаточна дляионизации среды, много больше его дифракционной длины.

Например, в воздухе длинафиламентов достигает нескольких метров и более, а диаметр — порядка 100 мкм.Самофокусировкаизлученияявляетсяосновнойфизическойпричинойформирования протяженных световых нитей — филаментов. Явление самофокусировкиэлектромагнитных волн в общей форме было предсказано в 1962 году в Москве вФизическом институте академии наук Г.А. Аскарьяном. В статье, посвященной этомуявлению, он писал: «Воздействие луча на среду может быть настолько сильным, чтосоздается перепад свойств среды в луче и вне луча, что вызовет волноводноераспространение луча и устранит геометрическую и дифракционную расходимость. Этоинтересное явление можно назвать самофокусировкой электромагнитного луча».

Первоедостаточно общее теоретическое объяснение этого явления появились в 1964 году вработах В.И. Таланова и CH. Townes с сотрудниками. В 1965 году Н.Ф. Пилипецким иС.Р. РустамовымсамофокусировкавпервыезарегистрированавМосковскомгосударственном университете имени М.В. Ломоносова.Первые расчеты самофокусировки световых пучков проведены В.И. Талановым иP.L. Kelley. С.А. Ахмановым, А.П. Сухоруковым и Р.В. Хохловым развита теориястационарнойсамофокусировкиинайденовбезаберрационномприближениианалитическое решение параболического уравнения для медленно меняющихся амплитудсветового поля.

Уникальные эксперименты по нестационарной самофокусировкеимпульсного излучения выполнены А.М. Прохоровым и В.В. Коробкиным, M.T. Loy иY.R. Shen. Самофокусировка мощного пикосекундного лазерного импульса в воздухе нарасстоянии 25 м от выхода из лазерной системы зарегистрирована Н.Г. Басовым,Н.Г. Крюковым, Ю.В. Сенатским, С.В. Чекалиным.

Самофокусировка является пороговымэффектом, для ее наблюдения необходимо превышение мощности излучения над3критической мощностью самофокусировки, которая изменяется от нескольких мегаватт вконденсированной среде до гигаваттного уровня в газах атмосферной плотности.С развитием фемтосекундных лазерных систем высокой мощности стало возможнымнаблюдениесамофокусировкиифиламентацииколлимированногоизлученияватмосферном воздухе. Первые эксперименты по филаментации в воздухе излучениятитан-сапфировой лазерной системы выполнены в лаборатории профессора G.

Mourou вуниверситете штата Мичиган (США), в лаборатории профессора A. Mysyrowicz вПолитехнической школе Палезо (Франция) и в Центре оптики, фотоники и лазеровуниверситетаLaval(Квебек,Канада)совместнойканадско-российскойгруппойМеждународного учебно-научного лазерного центра МГУ имени М.В. Ломоносова иЦентра оптики, фотоники и лазеров университета Laval (Квебек, Канада) подруководством профессоров В.П. Кандидова и S.L.

Chin. В этих экспериментах симпульсами длительностью 100-150 фс и пиковой мощностью порядка 10 ГВт на длиневолны 775 – 800 нм зарегистрировано образование филамента протяженностью 10 – 50 м иформирование цветных колец конической эмиссии в видимом спектральном диапазоне. Влаборатории профессора S.L. Chin впервые обнаружен эффект рефокусировки излучения вфиламенте.К началу работ по теме диссертации (1995 — 1997 год) были опубликованы четырепионерские работы, соавтором двух из которых является автор диссертации. В это времянесуществовалоадекватнойинтерпретацииэкспериментальныхрезультатовпофиламентации фемтосекундного лазерного излучения и сопутствующих ей эффектов.

Приактивном участии автора диссертации в постановке и исследовании фундаментальныхпроблем явления филаментации канадско-российской группой создана самосогласованнаяфизическая картина филаментации мощного фемтосекундного лазерного излучения вгазах и конденсированных средах, которая объясняет динамическую локализацию энергиив узком протяженном филаменте, генерацию суперконтинуума и конической эмиссии,образование множества филаментов при повышении пиковой мощности излучения идругие эффекты. Автор диссертации участвовала в экспериментах, проводимых влаборатории профессора S.L.

Chin в Квебеке (Канада), проводила теоретическиеисследования совместно с профессором В.П. Кандидовым в МГУ имени М.В. Ломоносовав Москве и создала пакет программ для численного моделирования явленияфиламентации лазерных импульсов высокой пиковой мощности в прозрачной среде.Созданнаяавторомэкспериментальнымикартинаифиламентациитеоретическимиформироваласьисследованиямипараллельносфранко-германской,американской групп и другими научными коллективами в ведущих центрах мира. Эта4картина принята научным сообществом, стимулировала и стимулирует исследования пофиламентации лазерного излучения в ведущих научных лабораториях многих стран.Основные положения, сформулированные в работах автора, стали неотъемлемой частьюсовременных физических представлений о явлении филаментации фемтосекундноголазерного излучения и вошли в монографии и обзоры, изданные в России и за рубежом.Вработерассмотрены,сформулированыиобоснованыосновополагающиепредставления о явлении фемтосекундной филаментации, такие как модель движущихсяфокусов в условиях ионизации среды, рефокусировка излучения и резервуар энергии впротяженном филаменте, динамика и нестабильность множественной филаментацииимпульса высокой мощности, сверхуширение частотного спектра и образование колецконической эмиссии.

В работерассмотрены особенности совместного влияниягеометрической фокусировки и нелинейной самофокусировки на филаментациюимпульса,интерференцииизлученияконическойэмиссиифиламентации, предложены временные и пространственныепримножественнойметоды управленияфиламентами. Следствием сверхуширения частотного спектра импульса в филаментеявляется возможность компрессии импульса.

В связи с этим совместно с лабораториейпрофессора А.Б. Савельева-Трофимова Центра коллективного пользования мощнойфемтосекундной лазерной системой на кристалле титаната сапфира Международногоучебно-научноголазерногоцентраМГУимениМ.В.Ломоносовасозданаэкспериментальная схема оптического компрессора фемтосекундного импульса вфиламенте, экспериментально и численно получен импульс длительностью менее четырехпериодовколебанийсветовогополя.Совместнослабораториейнелинейнойполяризационной оптики кафедры общей физики и волновых процессов физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова профессора В.А. Макарова теоретическипредсказано и экспериментально продемонстрировано двулучепреломление излученияпробного импульса в мощном световом поле филамента.В диссертации обобщены результаты, полученные автором в течение более 15 летсовместной работы с экспериментальной лабораторией профессора S.L.