Нелинейно-оптический отклик атома в полях околоатомной напряженности и многочастотных лазерных полях

На правах рукописиСТРЕМОУХОВ Сергей ЮрьевичНелинейно-оптический отклик атома в поляхоколоатомной напряженности и многочастотныхлазерных поляхСпециальность 01.04.21 - лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико - математических наукМосква - 2011Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имениМ.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорАндреев Анатолий ВасильевичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессорМаймистов Андрей Иванович,Национальный исследовательский ядерный университет: Московский инженерно-физический институт (НИЯУ МИФИ), Москва;доктор физико-математических наук,профессорСазонов Сергей Владимирович,Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”, МоскваВедущая организация: Институт прикладной физики РАН,Нижний НовгородЗащита состоится 13 октября 2011 г.

в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университетеимени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы,дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно познакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» сентября 2011 года.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыТеоретическое описание взаимодействия атома с электромагнитными полями исследуется на протяжении более ста лет. Появление источников ультракоротких лазерных импульсов высокой интенсивности привело к необходимости существенной модернизации теории.

Наиболее ранней теорией, которая посвящена описанию одного из важнейших явлений, происходящих привзаимодействии атома с лазерным полем,- явления ионизации,- по-видимому,считается теория Келдыша [1]. Теория Келдыша предвосхитила развитиеэкспериментальной лазерной физики, первые экспериментальные результаты прекрасно описывались развитой теорией. Поэтому она получила дальнейшее развитие и уточнение. Однако с развитием лазерной техники сталипоявляться экспериментальные результаты, которые не нашли своего теоретического осмысления в рамках этого подхода. Эти явления в основномвозникают при таких параметрах лазерного импульса, которые далеко выходят за рамки тех приближений, в которых были построены теоретическиеподходы.

В большинстве случаев это означает, что пиковая напряженностьлазерного поля перестает быть малой величиной по сравнению с внутриатомной (Eat = 5·109 В/см), и отклик среды становится существенно нелинейным.В результате, применение подходов, основанных на теории возмущений, в которой в качестве малого параметра используется отношение величины напряженности электромагнитной волны к внутриатомной напряженности, оказывается проблематичным. Адекватное описание нелинейного отклика атоматребует более детального учета энергетической структуры атомов и молекул,дисперсионных свойств среды и отклика свободных электронов, появляющихся в результате процессов ионизации и возбуждения. Следовательно, в общемслучае исследование нелинейного отклика атома требует применения теории,свободной от использования отношения величины напряженности лазерногополя к внутриатомной напряженности в качестве малого параметра.

Такаятеория была предложена в [2]. В ней последовательно учитывается отличиесимметрии задачи «атом+поле» от сферической симметрии задачи свободного атома. Это позволяет исследовать специфику нелинейно-оптического отклика атома в полях околоатомной напряженности.В последнее время широкое использование в физических экспериментахполучила схема, основанная на взаимодействии двухцветного лазерного поляс веществом. Это, в первую очередь, связано с качественным изменением характера отклика атома на воздействие многокомпонентного лазерного поляпо сравнению с однокомпонентным.

В качестве примера специфики откликавещества можно привести изменение фотоэмиссионного спектра атома: воз3никает мощный отклик в терагерцовой части спектра (ТГц) и значительновырастает интенсивность ультрафиолетового (ВУФ) и мягкого рентгеновского излучения. В силу большой практической значимости как ТГц, так и ВУФизлучения возникает потребность в исследовании физических механизмов генерации с целью оптимизации параметров лазерного поля для увеличенияэффективности генерации выделенных частей спектра отклика атома.Цель работыОсновной целью диссертационной работы является исследование специфики нелинейно-оптического отклика атома в полях околоатомной напряженности и многочастотных лазерных полях.Решаемые задачиВ работе решаются следующие задачи:• Исследование модификации правил отбора по орбитальному квантовому числу в полях околоатомной напряженности.• Разработка критерия отбора атомных состояний, который позволяет количественно определять степень полноты выбранного набора атомныхсостояний при заданной интенсивности лазерного поля.• Разработка математических алгоритмов и программного обеспечениядля решения системы дифференциальных уравнений для амплитуд населенности уровней в рамках непертурбативной теории взаимодействиялазерного излучения с одиночным атомом.• Теоретическое исследование угловых спектров вылета фотоэлектроновв области суб- и околоатомных лазерных полей методом математического моделирования.• Исследование специфики фотоэлектронных и фотоэмиссионных спектров отклика атома в полях околоатомной напряженности.• Теоретическое исследование взаимодействия одиночного атома с многокомпонентными лазерными полями.Научная новизна• Теоретически исследована специфика угловых, фотоэлектронных и фотоэмиссионных спектров отклика при взаимодействии одиночного атома с лазерными полями оклоатомной напряженности.• Развита теория взаимодействия атома с многокомпонентным лазернымполем, позволяющая рассчитывать частотно-угловой спектр поля отклика атома как для произвольной ориентации углового момента атомаи вектора поляризации электромагнитной волны, так и для произвольного состояния поляризации электромагнитной волны.4• Впервые показано, что генерация терагерцового излучения, возникающего при взаимодействии одиночного атома с двухцветным лазернымполем, возможна в доионизационном режиме.• Теоретически обоснован метод поляризационного управления фотоэмиссионным спектром отклика атома, основанный на изменении угламежду поляризациями компонент двухцветного поля.

Продемонстрированы его преимущества при управлении эффективностью генерациикак длинноволновой, так и коротковолновой частей спектра.Защищаемые положения1. При взаимодействии одиночного атома с околоатомными лазерными полями угловые спектры фотоэлектронов при малых значениях энергиифотоэлектронов имеют многолепестковую структуру, что свидетельствует об отличии правил отбора по орбитальному квантовому числу отдипольных. Область энергий фотоэлектронов, угловые распределениякоторых имеют многолепестковую структуру, увеличивается с возрастанием пиковой напряженности поля воздействующей волны.2.

Вероятность ионизации атома лазерным полем как функция его интенсивности имеет ряд особенностей при приближении поля к внутриатомной величине: монотонный рост сменяется последовательными областями стабилизации ионизации, падения вероятности ионизации, ускоренной ионизации, насыщаясь в области полной однократной ионизацииатома. Количество последовательных смен режимов ионизации зависит как от параметров лазерного импульса, так и от энергетическойструктуры атома.3. В области околоатомных лазерных полей частота отсечки в фотоэмиссионных спектрах отклика атома перестает зависеть от напряженностиполя лазерного импульса.4. Генерация терагерцового излучения, возникающая при взаимодействииатома аргона с двухцветным лазерным полем, образованным первой ивторой гармоникой T i : Sapphire лазера, возможна в доионизационномрежиме взаимодействия.

Профиль терагерцовой части спектра зависиткак от угла между поляризациями компонент двухцветного поля, таки от временной задержки между импульсами.5. Метод поляризационного управления фотоэмиссионным спектром отклика атома является более эффективным по сравнению с вариациейвременного профиля импульса при заданной его интенсивности как вдлинноволновой, так и в коротковолновой частях спектра.5Научная и практическая значимость• Разработанный критерий выбора уровней дискретного и непрерывногоспектра атома, которые вносят определяющий вклад в процесс взаимодействия атома с лазерными полями, позволяет оптимизировать численные расчеты отклика атома.• В результате численного исследования взаимодействия атома с лазерными полями околоатомной напряженности показана возможностьуправления вероятностью его ионизации путем варьирования не толькоинтенсивности лазерного импульса, но и его длительности (при заданной интенсивности поля).• Метод поляризационного управления фотоэмиссионным спектром отклика атома открывает новые возможности эффективной генерациикогерентного излучения, несущая частота которого лежит как в терагерцовой части спектра, так и в области далекого ультрафиолетового ирентгеновского излучения.• Численные исследования спектра терагерцового излучения показываютсильную его зависимость от параметров двухцветного поля, что позволяет произвести оптимизацию с целью получения широкополосноготерагерцового излучения, которое может быть использовано в спектроскопии.Личный вкладАвтор принимал участие в постановке задач и обсуждении полученныхрезультатов.

Все изложенные в диссертации результаты получены авторомлично.Апробация работыРезультаты диссертации опубликованы в 30 научных работах; из них 10 научных статей, в том числе 8 статей - в рецензируемых журналах из спискаВАК России.Структура и объем работыДиссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем работы: 200 страниц, включая 54 рисункаи 2 таблицы.

Библиография содержит 136 наименований, в том числе 10 авторских журнальных статей.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо Введении кратко обоснована актуальность выбранной темы, определены цели диссертационной работы, изложены основные защищаемые положения и приведены ее структура и краткое содержание.6В Главе 1 дан обзор литературы, касающейся изучаемых в диссертационной работе вопросов. Рассмотрены основные теоретические подходы к описанию взаимодействия одиночного атома с лазерным излучением. Обсуждаются результаты экспериментальных исследований как нашедшие, так и ненашедшие пока теоретического осмысления. Настоящая диссертационная работа дает интерпретацию ряда экспериментально полученных зависимостей.В Главе 2 «Влияние симметрийных свойств на правила отбора по орбитальному квантовому числу.