Автореферат (Роль проводимости и нелинейной поляризации среды в ориентации главной оси эллипса поляризации терагерцового излучения, образующегося при самовоздействии и взаимодействии фемтосекундных импульсов)

На правах рукописиЕсаулков Михаил НиколаевичРоль проводимости и нелинейной поляризации средыв ориентации главной оси эллипса поляризациитерагерцового излучения, образующегося присамовоздействии и взаимодействии фемтосекундныхимпульсов в газах и проводящих плёнкахСпециальность 01.04.21 – Лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2016Работа выполнена вФедеральном государственном бюджетном образовательномучреждении высшего образования «Московский государственный университет имениМ.В.Ломоносова»иИнституте проблем лазерных и информационных технологий Российской академиинаукНаучные руководители:Доктор физико-математических наук, профессор Макаров Владимир АнатольевичДоктор физико-математических наук, профессор Шкуринов Александр ПавловичОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук Гарнов Сергей Владимирович, заместительдиректора по научной работе, заведующий отделом колебаний, Федеральное государ­ственное бюджетное учреждение науки “ Институт общей физики им.

А.М. ПрохороваРоссийской академии наук”Доктор физико-математических наук, профессор Денисюк Игорь Юрьевич, заве­дующий кафедрой инженерной фотоники, руководитель международной лаборатории“ Нелинейно-оптические молекулярные кристаллы и микролазеры” , Федеральное государ­ственное автономное образовательное учреждение высшего образования “ Санкт-Петер­бургский национальный исследовательский университет информационных технологий,механики и оптики”Ведущая организация:Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образо­вания "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университетим. Н.И.

Лобачевского"Защита состоится «ного совета»2016 г. вчасов на заседании диссертацион­Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова, расположенном по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,д.1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. АхмановаС текстом диссертации можно ознакомиться вОтделе диссертаций Научной библиоте­ки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский пр-т, д.27) и на сайте физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова:http://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-31/ ,http://istina.msu.ru/dissertation councils/councils/387244/.Автореферат разослан «»2016 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат физико-математических наукА.А.

Коновко3Общая характеристика работыАктуальность темыПод терагерцовым (ТГц) диапазоном частот традиционно понимается частотныйинтервал 0.3 - 10 ТГц, лежащий между дальним инфракрасным диапазоном и микро­волновым излучением. Эффективность генерации электромагнитного излучения падаетпри приближении к ТГц диапазону как при использовании электронных устройств (на­пример, диодов Ганна с умножителями частоты, ламп обратной волны, гиротронов), таки для оптических методов (например, квантово-каскадных лазеров). Это связано в обоихслучаях с фундаментальными ограничениями: для электронных методов период колеба­ния ТГц поля становится сравнимым с временем прохождения электрона по структурегенератора, а для оптических энергия кванта оказывается меньше энергии тепловогодвижения при комнатной температуре, что усложняет условия для создания инверсиизаселенностей.Важный этап освоения этого диапазона частот начался в 1980х годах, сразу послепоявления коммерчески доступных фемтосекундных оптических систем.

При взаимодей­ствии сверхкоротких лазерных импульсов с нелинейными средами возможна генерацияимпульсного излучения в низкочастотном (в том числе терагерцовом) диапазоне частотпо механизму оптического выпрямления, либо при возбуждении импульса фототока всреде. Эти методики стали стандартными для преобразования лазерного излучения ви­димого или ближнего ИК диапазона в терагерцовое излучение.Использование газов или плазмы оптического пробоя в качестве нелинейной сре­ды, взаимодействующей с лазерным излучением, позволяет получить ТГц импульсы,обладающие одновременно широким спектром (ограниченным лишь длительностью воз­буждающего оптического импульса) и высокой спектральной интенсивностью.

Именногазово-плазменные источники импульсного терагерцового излучения являются основнымобъектом исследования данной работы.Доля ионизированных молекул (либо атомов) газа при оптическом пробое фемто­секундными лазерными импульсами зачастую невелика и может достигать долей про­цента или нескольких процентов в зависимости от режима фокусировки. Большая частьатомов и молекул среды остается при этом нейтральной. Поэтому процесс генерации те­рагерцового излучения содержит вклады как нелинейной поляризации, обусловленнойоткликом связанных электронов в нейтральных молекулах и атомах, так и нелинейнойпроводимостью, определяемой свободными электронами, покидающими молекулы прифотоионизации.

Несмотря на то, что каждый из этих вкладов был в той или иной мереизучен в отдельности, недостаточно внимания уделялось их сравнению по двум важней­шим характеристикам излучения - спектру и поляризации. В настоящей работе показано,что поляризация излучения, определяемая двумя этими вкладами, различна.

Поэтомуэкспериментально наблюдаемая поляризация терагерцового импульса проливает свет надоминирущий вклад в излучение из плазмы оптического пробоя при конкретных усло­виях.Следует отметить также, что задача исследования состояния эллипса поляриза­ции импульсного ТГц излучения является нетривиальной, поскольку излучение обладает4очень широким спектром: в случае генерации в плазме оптического пробоя при исполь­зовании импульсов титан-сапфирового лазера длительностью порядка 120 фс спектризлучения простирается от 0.5 до примерно 10 ТГц, что составляет более четырех ок­тав частоты. Для анализа состояния поляризации такого импульса необходимо получатьинформацию о фазе всех частотных компонент такого импульса, либо восстанавливатьвременную зависимость вектора электрического поля в некоторой точке пространства.Кроме того, на настоящий момент поляризационная оптика для широкополосноготерагерцового излучения еще находится в самом начале своего развития.

Поэтому весь­ма актуально исследование способов управления состоянием поляризации терагерцовогоизлучения путём изменения характеристик возбуждающего оптического излучения, чтооказывается возможных для генераторов ТГц излучения, исследованных в настоящейработе.Возникающая при фокусировке фемтосекундного излучения плазма является неста­ционарной нелинейной средой, изменяющей свойства распространяющихся в ней оптиче­ского и терагерцового излучения. Поляризация компонент оптического излучения пре­образуется по мере распространения, и условия генерации ТГц излучения в различныхучастках плазмы неодинаковы.

Поэтому поляризация терагерцового излучения есть от­ражение не только основного механизма генерации, но и процессов, связанных с рас­пространением электромагнитного излучения сквозь газово-плазменную среду. Дополни­тельную информацию о нелинейных процессах, протекающих в плазме, можно получитьиз анализа поляризации оптического излучения, покидающего область взаимодействия.Кроме того, еще одна важнейшая характеристика ТГц излучения - пространственныйпрофиль его интенсивности ТГц излучения - также определяется свойствами плазмен­ного облака вблизи перетяжки. Одна из глав данной работы посвящена эксперименталь­ному исследованию пространственного профиля интенсивности ТГц излучения.Важно отметить, что плазма оптического пробоя газов - не единственная система,в которой генерация терагерцового излучения при взаимодействии с фемтосекундны­ми оптическими импульсами обусловлена как нелинейной поляризацией среды, то естьнелинейным откликом связанных электронов, так и её нелинейной проводимостью.

Ещеодним примером таких веществ, в которых может происходить генерация терагерцовогоизлучения, являются плёнки диоксида ванадия.Интерес к генерации терагерцовых импульсов в тонких проводящих пленках привзаимодействии с излучением титан-сапфирового лазера связан с поиском новых ком­пактных источников излучения. Так, для металлических плёнок нелинейный откликсвободных электронов на поверхности, обусловленный нарушением симметрии и снятиемзапрета на протекание процессов второго порядка, считается одной из основных причинданного явления. Тем не менее, сверхтонкие металлические плёнки, в особенности вбли­зи перколяционного фазового перехода из непроводящего состояния в металлическое,являются не очень удобными объектами исследования ввиду трудности их получения исохранения их свойств в лабораторных условиях.

Более практично рассматривать вместоних модельную систему - тонкие плёнки диоксида ванадия. Это вещество испытывает∘фазовый переход из непроводящего состояния в проводящее при температуре 68 С. Фа­зовый переход первого рода и изменение соотношения между связанными и свободными5электронами при этом легко индуцировать нагревом образца. В настоящей работе впер­вые рассматривается явление генерации ТГц излучения в плёнках диоксида ванадия вдвух фазовых состояниях при самовоздействии в них излучения титан-сапфирового ла­зера и обнаруживается, что этот нелинейный процесс происходит в проводящей фазе в30 раз более эффективно.Как и для плазмы оптического пробоя газов, анализ состояния эллипса поляриза­ции терагерцового излучения дает информацию о роли проводимости среды в процессах,приводящих к генерации терагерцового излучения в плёнках диоксида ванадия.