Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИМ.В.ЛОМОНОСОВАНа правах рукописиВоронин Александр АлександровичПространственно-временная динамика предельнокоротких световых импульсов в системах скомбинированной дисперсией и нелинейностью01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2013Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского государственного университета имениМ.В.Ломоносова.Научный руководитель:д.ф.-м.н., профессор,Желтиков Алексей МихайловичФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университетимени М.В.Ломоносова (МГУ)Официальные оппоненты:д.ф.-м.н., профессор,Ионин Андрей АлексеевичФедеральное государственное бюджетное учреждениенауки Физический институт им.

П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИ РАН)д.ф.-м.н.,Курков Андрей СеменовичФедеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт общей физики им. А.М. ПрохороваРоссийской академии наук (ИОФ РАН)Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт проблем лазерных и информационныхтехнологий Российской академии наук (ИПЛИТ РАН)Защита состоится 23 мая 2013г.

в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова, расположенномпо адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУимени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).Автореферат разослан «» апреля 2013г.Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьбавысылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.Ученый секретарьдиссертационного советаКоновко Андрей АндреевичОбщая характеристика работыАктуальность работыОбладающие сильной нелинейностью и управляемой дисперсией фотонно-кристаллические волокна являются подходящим материалом для создания компактных и эффективных преобразователей частоты, использующихся в микроскопии, спектроскопии, микроскопии биологических структур, оптических линиях связи, а также в физике сверхкоротких импульсов и технологиях на их основе.

Возникающие при спектральном преобразовании сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических (ФК) волокнахнелинейно-оптические солитонные эффекты дают возможность эффективной генерациисуперконтинуума и генерации перестраиваемых по частоте импульсов. На основе этихявлений возможно создание удобных волоконных источников излучения для нелинейнойспектроскопии , мультиплексной когерентной микроскопии комбинационного рассеяниясвета , визуализации биологических объектов и эндоскопии , а так же для оптическойинформации и телекоммуникационных технологий.

Рамановский эффект в материале оптического волокна приводит к возникновению запаздывающей части оптической нелинейности, индуцируя красный сдвиг сверхкоротких лазерных импульсов, распространяющихся в волокне. В режиме аномальной дисперсии это явление, известное как солитонныйсамосдвиг частоты (ССЧ), позволяет перестраивать длину волны коротких лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне. Наиболее богатый спектральный состав вгенерируемом излучении часто получается в режимах, которые включают в себя комбинацию нескольких нелинейно-оптических процессов и влияние дисперсии среды.

Наиболееяркими примерами подобного типа взаимодействий являются генерация суперконтинуумав высоконелинейных волокнах или филаментах. Филаментация сверхкоротких лазерныхимпульсов – одно из наиболее интересных открытий в современной оптике. В оптике сверхбыстрых процессов филаментация лазерного излучения находит все больше примененийкак мощный метод компрессии импульсов, позволяя возможность генерации импульсов сдлительностями в несколько периодов оптического поля со стабильной фазой огибающейс высокой пиковой мощностью внутри широкого диапазона частот от дальнего ультрафиолетового (УФ) до ближнего и среднего инфракрасного (ИК).Эффективность взаимодействия лазера с веществом растет по закону Iλ2 , где I –интенсивность поля, λ – длина волны излучения, поэтому важной задачей является поискпрактического решения проблемы генерации сверхкоротких импульсов с большой длинойволны и высокой мощностью, эти поиски привели к возрождению газовых лазеров, работающих в среднем ИК диапазоне.

Известно, что столкновительное уширение вращательныхи колебательных линий активной среде СО2 лазеров, дает широкую спектральную полосу для эффективного усиления пикосекундных лазерных импульсов. Газовые лазеры,1использующие этот принцип, недавно достигли тераваттного уровня пиковой мощности,открывая перспективные возможности ускорения частиц до релятивистских скоростей иисследования новых интересных режимов взаимодействия лазерного поля с веществом.Цель диссертационной работы состоит в теоретическом исследовании новых физических эффектов и разработке новых эффективных методик управления спектром сверхкоротких лазерных импульсов с помощью микроструктурированных волокон, генерациимощных перестраиваемых по частоте сверхкоротких лазерных импульсов в полых волноводах и высокоэффективной компрессии мощных лазерных импульсов в условиях сверхбыстрой ионизации.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:I.

Энергия выходящих из ФК волокон спектрально преобразованных импульсов обычнодостаточно мала, что серьёзно ограничивает спектр приложений подобных источниковсвета в науке и оптических технологиях. Проведённый в работе анализ показывает, чтопиковая мощность перестраиваемых по частоте солитонов в ФК волокне может достичьмегаваттного уровня.II. Дисперсия высших порядков, волоконные потери, частотная зависимость оптическойнелинейности, как известно, факторы, замедляющие солитонный самосдвиг частоты (ССЧ).В работе показано, что самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульсаявляется важным фактором, приводящим к замедлению ССЧ.III.

В общем случае профиль спектральной фазы суперконтинуума шириной в несколькооктав имеет тенденцию быть чрезмерно сложным для целей прямой компрессии. Проведенный в работе анализ открывает технологию синтеза импульсов длительностью в несколькопериодов поля с помощью когерентного сложения сдвинутых по частоте солитонов, полученных в ФК волокне, работающем в многосолитонном режиме.IV. Такие оптические процессы, как когерентная рамановская микроскопия, оптимальное усиление излучения волоконных лазеров, или передача оптической информации безискажений, часто требуют спектрального сужения световых импульсов одновременно свозможностью перестройки их центральной частоты.

В работе продемонстрировано, чтофемтосекундные лазерные импульсы могут быть спектрально сжаты в режиме ССЧ.V. Высокая чувствительность ССЧ к мощности начального импульса вызывает серьёзныетрудности в основанных на эффекте ССЧ волоконно-оптических системах. В работе показано, что управление волоконной дисперсией и нелинейностью помогает оптимизироватьволоконные компоненты для стабильного относительно флуктуаций мощности накачкиССЧ.VI. Увеличение интенсивности излучения лазерных систем и расширение области применений оптики сверхбыстрых процессов к реальным сложным системам, требует развитияэффективных и практически осуществимых методов нелинейно-оптических спектральных2преобразований световых импульсов длительностью в несколько оптических периодов поля.

В работе показано, что взаимодействие сверхкороткого импульса поля с когерентновозбужденной комбинационно-активной средой позволяет генерировать перестраиваемыепо частоте мультигигаваттные световые импульсы длительностью меньше половины периода оптического поля.VII. В отличие от титан-сапфировых усилителей лазерных импульсов, иттербиевые усилители с диодной накачкой открывают перспективные возможности увеличения мощностииз-за низкого квантового дефекта. Ключевой недостаток сверхкоротких импульсов иттербиевых систем – узкая полоса усиления допированных иттербием материалов, что ограничивает минимальную длительность импульса непосредственно после усилителя около200 фс.