Диссертация (Световые пули и спектр фемтосекундного лазерного излучения при филаментации в плавленом кварце), страница 2

Поставлены и решены следующие конкретные задачи:1. Исследование влияния дисперсии групповой скорости на формирование частотно-угловогоспектра суперконтинуума.2. Исследование природы формирования спектра суперконтинуума и его изолированногоантистоксового крыла при филаментации фемтосекундного излучения, определение влиянияинтерференционных эффектов на спектр суперконтинуума.53. Выявление закономерностей формирования световых пуль - локализованных в пространствеи времени волновых пакетов с высокой плотностью мощности лазерного излучения вфиламенте.4. Исследование процесса насыщения интенсивности в световой пуле фемтосекундногофиламента.НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ1. Впервыевыполненоисследованиекомплексноеформированиячисленное,частотно-угловыхэкспериментальное испектрованалитическоесуперконтинуума(СК)прифиламентации фемтосекундного излучения в условиях нормальной, нулевой и аномальнойдисперсии групповой скорости плавленого кварца.2.

Установлено, что независимо от характера дисперсии групповой скорости, рефокусировкаизлучения в филаменте приводит к модуляции частотно-углового спектра в результатеинтерференции излучения от последовательности распределенных когерентных источников,образующихся вдоль филамента.3. Предсказано формирование квазипериодической последовательности «световых пуль» свысокой пространственно-временной локализацией светового поля при филаментациифемтосекундного излучения вусловиях аномальнойдисперсии групповой скорости.Установлены основные закономерности формирования световых пуль.4. Впервыеэкспериментальнозарегистрированоформированиесветовыхпульприфиламентации в плавленом кварце.

На основе измерений автокорреляционной функциисветовой пули в образце плавленого кварца, определена минимальная длительность световойпули, которая достигла 13.5 фс, что составляет около двух осцилляций светового поля на длиневолны 1800 нм.5. Впервыепредсказанонаосновечисленногомоделированияизарегистрированоэкспериментально формирование изолированного антистоксового крыла суперконтинуума прифиламентации фемтосекундного излучения в условиях аномальной дисперсии групповойскорости. Установлено, что с увеличением длины волны фемтосекундного излучения сдвигизолированного высокочастотногокрыла всинюю областьвозрастает, его ширинауменьшается.

Величина антистоксового сдвига определяется порядком многофотонностипроцесса генерации лазерной плазмы и не зависит от характера дисперсии групповой скорости.6. Новой является физическая интерпретация образования изолированного максимума ввидимой области спектра суперконтинуума, согласно которой широкий минимум в спектре СК,6отделяющий антистоксовое крыло от центральной длины волны импульса, являетсярезультатом деструктивной интерференции излучения суперконтинуума.7. Установлено, что дисперсия групповой скорости качественно изменяет процесс насыщенияинтенсивности световой пули, который в отсутствие дисперсии определяется балансомоптических сил линз керровской и плазменной нелинейностей.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫПолученные результаты и установленные закономерности могут быть использованы для:1.

Оптимизации системы компрессии лазерных импульсов до одного периода светового поляпри филаментации в конденсированных средах для время-разрешенного зондирования и времяразрешенной спектроскопии.2. Управления параметрами когерентного широкополосного излучения суперконтинуума наоснове филаментации фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах дляспектроскопических исследований в широкой полосе длин волн.3.

Формирования высоко-локализованного в пространстве и времени интенсивного излучениясреднего ИК диапазона в системах атмосферной оптики для экологического мониторингаокружающей среды.4. Развития физических представлений о нелинейной филаментации фемтосекундногоизлучения в прозрачных конденсированных диэлектрических средах, излагаемых в учебныхкурсах.7ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ1. Квазипериодическаяпоследовательностьсветовыхпуль-областейсильнойпространственно-временной локализации светового поля образуется при фемтосекунднойфиламентации лазерного излучения в объеме прозрачной диэлектрической среды в условияханомальной ДГС.

Длительность световой пули при филаментации в плавленом кварцеизлучения на длине волны 1800 нм равна 13.5 фс, что составляет около двух периодовоптических осцилляций, ее пиковая интенсивность достигает величины 5×10 13 Вт/см2 .2. Возникновение световой пули обусловлено совместным проявлением самофокусировки ифазовой самомодуляции излучения в условиях аномальной ДГС.

Световая пуля образуется вцентральных временных слоях импульса и смещается к хвосту импульса при егораспространении. Формирование последовательности световых пуль происходит в результатеперекачки энергии с хвоста и фронта импульса к центру, вызванной аномальной дисперсией, ипоследующим пространственным сжатием временных слоев вследствие нелинейности.3. При филаментации фемтосекундного лазерного импульса на длинах волн, лежащих вобласти аномальной ДГС плавленого кварца, в спектре генерируемого суперконтинуумаформируется изолированное антистоксовое крыло в видимой области.

При увеличениицентральной длины волны излучения сдвиг изолированного антистоксового крыла в синююобласть возрастает, его ширина уменьшается. Антистоксовый сдвиг СК возрастает независимоот характера ДГС вследствие возрастания крутизны заднего фронта импульса при увеличениипорядка многофотонности процесса генерации лазерной плазмы.4. Образование световой пули сопровождается монотонным уширением спектра СК в стоксовуи антистоксову области.

Появление широкого минимума в спектре СК, отделяющего егоантистоксовое крыло от области в окрестности центральной длины волны, является результатомдеструктивнойинтерференцииширокополосногоизлучениясуперконтинуума,котороегенерируется в излучающей области конечной длины, формируемой движущейся световойпулей в филаменте.5.

В условиях аномальной дисперсии групповой скорости насыщение интенсивности вфиламенте определяется как пространственными эффектами керровской и плазменнойнелинейностей, так и перетеканием мощности к центру импульса, возникающим при фазовойсамомодуляции светового поля. Интенсивность световой пули достигает максимума приплазменной дефокусировке, доминирующей над керровской самофокусировкой.86. Независимо от характера дисперсии групповой скорости рефокусировка фемтосекундногоизлучения в филаменте вызывает модуляцию частотно-угловой спектра в результатеинтерференцииизлучениясуперконтинуумаотпоследовательностираспределенныхкогерентных источников, образующихся вдоль филамента.АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫОсновные результаты работы опубликованы в 10 научных статьях в журналах«Квантовая электроника», «ЖЭТФ», «Оптический журнал», «Applied Physics B», «LaserPhysics», «Laser Physics Letters», «Optics Letters», «Proceedings of SPIE».Докладывались автором на международных конференциях: XVII Международнаяконференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, Россия, 2010);Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика» (Санкт-Петербург,Россия, 2011); SPIE Optics and Photonics (San Diego, USA, 2011); 20th International Laser PhysicsWorkshop (Saraevo, Bosnia and Herzegovina,2011); International Conference "Nonlinear Optics EastWest Reunion" (NLO-50) (Суздаль, Россия, 2011), International Workshop on laser-matterinteraction (Porquerolles, France, 2012); 4th International Symposium on Filamentation, (Tucson,Arizona, USA, 2012); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics & InternationalConference on Lasers, Applications, and Technologies (Москва, Россия, 2013); 22nd InternationalLaser Physics Workshop (Prague, Czech Republic ,2013); а также на семинарах кафедры общейфизики и волновых процессов физического факультета и МЛЦ МГУ им.

М.В. Ломоносова,отделения Квантовой радиофизики Физического института АН им. П.Н.Лебедева (ФИАН) иотдела Лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН (ИСАН).ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРАВсе использованные в диссертации результаты получены автором лично или приопределяющем его участии. Автор работы провела численное моделирование и анализ процессафиламентации мощного фемтосекундного излучения в плавленом кварце в условияхнормальной, нулевой и аномальной дисперсии, аналитическое исследование формы спектрасуперконтинуума световой пули. На основе результатов численного моделирования ианалитического исследования автор осуществила детальное планирование лабораторногоэксперимента в Институте спектроскопии РАН, выполнила спектральные исследованияантистоксового крыла суперконтинуума при филаментации импульсов в диапазоне длин волнот 1300 до 2300 нм и регистрацию длительности световых пуль в плавленом кварце.9ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ЯВЛЕНИЯ ФИЛАМЕНТАЦИИВ КОНДЕНСИРОВАННЫХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕДАХРаспространение мощных фемтосекундныхдиэлектрикахсопровождаетсяфиламентацией—лазерных импульсовявлением,впрозрачныхпредставляющимсобойпространственно-временную локализацию энергии лазерного излучения. При филаментациипроисходит формирование плазменных каналов, генерация излучения суперконтинуума иконической эмиссии [1–5] C точки зрения нелинейной оптики филаментация являетсяследствием нестационарного самовоздействия лазерного импульса в нелинейной среде; онаразвивается при сочетании двух условий: короткой длительности излучения, при которой неуспевает развиться тепловое самовоздействие, и высокой мощности, достаточной дляпроявления керровской самофокусировки [6]. Керровская самофокусировка преобладает наддифракцией, если мощность пучка P превосходит критическую мощность самофокусировкиPcr[7,8]которая дляколлимированногогауссова пучка определяетсявыражениемPcr  Rcr 20 8  n0 n2 , здесь Rcr  3.77 — критический параметр нелинейности для гауссовапучка,  0  2c 0 — длина волны светового поля в пучке, n2 — коэффициент кубическойнелинейности среды, определяющий положительную нелинейную добавку к показателюпреломления nK  n2  I (r, t ) в приближении мгновенного отклика среды, где I (r , t ) —интенсивностьсветовогополя.Впроцессефиламентацииростинтенсивностиприсамофокусировке излучения фемтосекундной длительности ограничивается нестационарнойдефокусировкой излучения в самонаведенной лазерной плазме, возникающей при превышенииинтенсивностью порога фотоионизации среды.