Филаментация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах, страница 2

Chin мощногосверхбыстрого лазерного излучения Центра оптики, фотоники и лазеров университетаЛаваль(Квебек,Канада).Результатыполученыавторомличноилиподегонепосредственным руководством с 1995 по 2011 год. Они опубликованы в 65 статьях вреферируемых журналах, представлены на более, чем 50, международных конференциях.5Цели и задачи диссертационной работыЦель настоящей работы состоит во всестороннем изучении явления филаментациимощногофемтосекундноголазерногоизлучения,генерациисуперконтинуумаиконической эмиссии, процесса множественной филаментации, самосжатия импульсов вфиламенте и поляризационных эффектов при филаментации, а также в анализевозможности управления формированием филаментов.Постановка конкретных задач, рассмотренных в диссертации, определяласьтенденциями развития исследований явления фемтосекундной филаментации в ведущихнаучных центрах. В процессе работы над темой диссертации осуществлялосьпланирование новых экспериментов в лаборатории профессора S.L.

Chin, анализ иинтерпретацияполучаемыхрезультатов,построениефизическихмоделейзарегистрированных эффектов.Диссертационная работа включает результаты исследования следующих задач:• формирование протяженного филамента с высокой плотностью энергии в условияхсамонаведенной лазерной плазмы при распространении мощного фемтосекундноголазерного импульса в прозрачном диэлектрике;• влияние геометрической фокусировки излучения на процесс филаментации;• образование множества филаментов и сценарий их эволюции;• генерация излучения суперконтинуума и конической эмиссии в условиях формированияодного или нескольких филаментов;• управлениеипространственнаярегуляризацияфиламентациифемтосекундноголазерного импульса пиковой мощностью в десятки и более раз превышающейкритическую мощность самофокусировки;• образование импульсов, сжатых до нескольких колебаний поля, при филаментации,оптимизация длительности и энергии таких импульсов;• влияние поляризации светового поля лазерного излучения на формирование и эволюциюфиламента;• поляризационное кроссвзаимодействие слабого поля второй гармоники в сильном полеосновного излучения, формирующего филамент.Научная новизна работы1.

Полученафундаментальнаяфизическаякартинаявленияфиламентациифемтосекундного лазерного излучения в прозрачной среде и сопровождающих егоэффектов.2. Впервыеразвитсценариймножественной6филаментациифемтосекундногоимпульса с пиковой мощностью, в десять и более раз превышающей критическуюмощность самофокусировки в прозрачной среде.3. Предложенаоригинальнаямодельформированияконическойэмиссиисуперконтинуума, которая впервые дала физическую интерпретацию результатамчисленного и лабораторных экспериментов по сверхуширению частотно-угловогоспектра фемтосекундного лазерного излучения в условиях филаментации.4.

Исследованы новые методы пространственного и временного управлениялокализацией множества филаментов и их плазменных каналов, которые могутнайти применение как при удаленном зондировании атмосферы, так и вфемтосекундных лазерных системах формирования элементов микрооптики.5. Равитая автором векторная модель филаментации фемтосекундного лазерногоизлучения и распространения пробного импульса в филаменте позволяеттеоретическиичисленноисследоватьэффектыдвулучепреломления,индуцированные филаментом.Научная и практическая значимость1. Обобщенная модель движущихся фокусов фемтосекундного филамента позволяетдать физическую интерпретацию эффектам, наблюдаемым при филаментациифемтосекундноголазерногоимпульса,осуществлятьпланированиеновыхэкспериментальных исследований и обосновать возможность практическогоприменения явления филаментации.2.

Методы пространственного и временного управления локализацией множествафиламентов и их плазменных каналов могут найти применение в фемтосекундныхлазерных системах формирования элементов микрооптики.3. Возможность увеличения сигнала флуоресценции молекулярного и однократноионизированногоазотапримножественнойфиламентациеймощныхфемтосекундных лазерных импульсов за счет уменьшения диаметра пучка навыходе лазерной системы может быть использована в фемтосекундных лидарахдля удаленной диагностики атмосферы.4. Исследованияполяризационногокроссвзаимодействиявторойиосновнойгармоник при филаментации могут позволить оптимизировать параметрытерагерцового излучения, которое генерируется в процессе четырехволновогосмешения этих гармоник.7Защищаемые положения1.

Обобщенная модель движущихся фокусов фемтосекундного лазерного излучения вусловияхнелинейнойрефракциивсамонаведеннойлазернойплазме,воспроизводит образование протяженного филамента с высокой плотностьюэнергии, процесс ограничения интенсивности в филаменте, образование колец впоперечном распределении интенсивности излучения и объясняет эффектрефокусировки, который состоит в немонотонном изменении плотности энергиивдоль филамента.2. Сверхуширение частотно-углового спектра и образование конической эмиссиисуперконтинуума при филаментации является результатом пространственновременной самомодуляции фемтосекундного лазерного излучения.3. Динамическийсценариймножественнойфиламентациифемтосекундноголазерного излучения высокой мощности состоит в образовании «родительских»филаментов, зарождающихся на возмущениях интенсивности в сечении пучкалазерной системы, образовании «дочерних» филаментов, перекачке энергии междуними и «выживании» одного или нескольких из них.4. Изменение фазовой модуляции лазерного излучения и пространственногораспределения интенсивности в сечении пучка импульсного излучения позволяетуправлять положением пучка филаментов, их плазменных каналов и осуществлятькомпрессию импульса.5.

В фемтосекундном филаменте создается оптическая анизотропия прозрачногоизотропного диэлектрика.Апробация результатов работыВсего опубликовано 135 работ, по теме диссертации – 132 работы, из них 65 статей врецензируемых журналах из списка ВАК Российской Федерации.Основные результаты работы опубликованы в 65 научных статьях в журналах«Квантовая электроника», «Письма в журнал теоретической и экспериментальнойфизики», «Оптика и спектроскопия», «Оптика атмосферы и океана», «Оптическийжурнал», «Physical Review A», «Applied Physics B», «New Journal of Physics», «OpticsLetters», «Laser Physics», «Laser Physics Letters», «Optics Communications», «Journal of theOptical Society of America B», «Optics Express», «Applied Physics Letters», и докладывалисьна более, чем пятидесяти российских и международных конференциях.8Структура и объем работыДиссертация состоит из восьми глав, Введение, и списка цитируемой литературы.Объем работы составляет 237 страниц, включая 74 рисунка.

Список цитируемойлитературы содержит 283 наименования.Личный вклад автораВсе использованные в диссертации результаты получены автором лично или приопределяющем его участии.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо «Введении» обозначены основные этапы исследований по самофокусировке ифиламентации лазерного излучения, место настоящей диссертации среди других работ,приоритет автора в исследованиях филаментации мощных фемтосекундных лазерныхимпульсов. Обоснована актуальность и новизна темы диссертационной работы,сформулированы ее цели и задачи, представлены защищаемые положения.В Главе 1 представлен обзор экспериментальных и теоретических исследований,посвященных филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов, начиная ссередины 1990-х годов и по настоящее время.

Рассмотрены фундаментальныепредставления о филаментации как о нестационарном коллапсе лазерного излучения вусловиях дефокусирующей нелинейности самонаведенной лазерной плазмы.В параграфе 1.1 представлены основные фундаментальные представления офиламентации мощного фемтосекундного лазерного излучения. Определено, чтофиламент — узкая протяженная область лазерного излучения, интенсивность в которомопределяется динамическим балансом керровской и плазменной нелинейностей.Обоснован пренебрежимо малый вклад высших порядков керровской нелинейности.В параграфе 1.2 показана неизбежность стохастической множествественнойфиламентации фемтосекундных лазерных импульсов при превышении пиковой мощностиимпульса над критической мощностью самофокусировки в ∼10 и более раз.В параграфе 1.3 представлен детальный обзор экспериментальных исследованийфиламентации фемтосекундных импульсов в газах и конденсированных средах, а такжесопровождающихееявлений(формированиеплазменногоканала,генерациясуперконтинуума, в т.ч.

в форме конической эмиссии, самокомпресии импульсов,генерации терагерцового излучения, формирования перестраиваемых сверкороткихимпульсов за счет четырехволнового смешения при наличии затравочного импульса и9т.д.). Представлены результаты основных экспериментов, посвященных множественнойфиламентации, методам управления филаментацией и ее приложениям.В параграфе 1.4 изложены различные модели филаментации, основанные как науравнениях для огибающей электрического поля, так и на полевых уравнениях,учитывающих осциллирующую на оптической частоте компоненту.