Формирование конической эмиссии суперконтинуума и упорядоченного множества филаментов мощными фемтосекундными лазерными импульсами

НА ПРАВАХ РУКОПИСИДОРМИДОНОВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧФОРМИРОВАНИЕ КОНИЧЕСКОЙ ЭМИССИИСУПЕРКОНТИНУУМА И УПОРЯДОЧЕННОГО МНОЖЕСТВАФИЛАМЕНТОВ МОЩНЫМИ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИИМПУЛЬСАМИСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультетаМосковскогогосударственногоуниверситетаимениМ.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорКандидов Валерий ПетровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорФедоров Михаил Владимирович, ИОФ РАН,Москвакандидатфизико-математическихнаукКудряшов Сергей Иванович, ФИ РАН, МоскваВедущая организация:Учреждение Российской академии наук Институтприкладной физики РАНЗащита состоится 17 декабря 2009 г.

в 1600 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 в МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1,Москва, Ленинские горы, МГУ, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики,аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан “”2009 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наук, доцентТ.М. ИльиноваI.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ1. Актуальность темыПри распространении в прозрачных диэлектрических средах мощныхфемтосекундных лазерных импульсов, вследствие воздействия нелинейных иволновых эффектов, происходит существенная пространственно-временнаятрансформация распределения светового поля.

В результате баланса междуКерровской самофокусировкой и нелинейностью самонаведенной лазернойплазмы, останавливающей коллапс пучка, формируются филаменты — тонкиепротяженные нити с высокой концентрацией световой энергии. Филаментацияи процессы, сопровождающие данный феномен, представляют несомненныйинтерес, как с точки зрения фундаментальных исследований, так ипрактического применения.Изменение пространственно-временного профиля лазерного импульса ипоявление фазовой модуляции в ходе филаментации проявляются всверхуширении частотно-углового спектра импульса — генерации коническойэмиссии суперконтинуума, или, так называемых, импульсов «белого света».Образуемый суперконтинуум как в конденсированных, так и газообразныхсредах характеризуется спектральной полосой, покрывающей видимый иинфракрасный диапазоны длин волн, обладает узкой направленностью,высокими спектральной яркостью и степенью когерентности входящих в егосостав спектральных компонент.

Многие аспекты формирования коническойэмиссии суперконтинуума в оптически прозрачных сплошных средах остаютсянеясными и нуждаются в подробном теоретическом и экспериментальномисследовании.Возможность получения фемтосекундных импульсов белого света открыласерьезные перспективы применения явления филаментации в задачахмониторинга и зондирования атмосферы. В настоящее время разрабатываютсяширокополосныефемтосекундныелидарытераваттноймощности,позволяющие накапливать информацию о состоянии атмосферы в широкомдиапазоне длин волн без необходимости перестраивать несущую частотуизлучения, что принципиально расширяет информативность лазерногозондирования.

Однако, при филаментации в воздухе импульсов тераваттноймощности формируется пучок филаментов, которые случайным образомрасположены в плоскости поперечного сечения импульса и начинаются наразличных расстояниях от выходной апертуры лазерной системы —происходит, так называемая, стохастическая множественная филаментация. Врезультате сигналы флуоресценции и обратного рассеяния компонентвоздушной среды оказываются нерегулярными, что осложняет практическоеприменение систем лазерного зондирования.

Поэтому разработка методов,1позволяющих эффективно осуществлять пространственное упорядочениефиламентов, является весьма актуальной проблемой.Следствием нелинейно–оптического взаимодействия излучения с веществомпри филаментации является не только трансформация лазерного импульса и егоспектра, но и изменение характеристик среды. В филаменте интенсивностьизлучения достигает величин 1013  1014 Вт  см2 , что приводит к генерациипротяженных плазменных каналов, представляющих собой токопроводящиеобразования в нейтральной среде. Одним из возможных практическихприменений плазменных каналов является управление газовым разрядом,локализация которого определяется положением филамента в пространстве.Наряду с этим представляет интерес использование плазменных каналов длянаправленной передачи сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения в воздухе.2.

Цели и задачи диссертационной работыНастоящая работа включает как фундаментальные аспекты явленияфиламентации фемтосекундных лазерных импульсов, так и прикладные,связанные с атмосферной оптикой. Цель работы состоит: в исследовании закономерностей формирования частотно-углового спектраконической эмиссии суперконтинуума при филаментации фемтосекундныхлазерных импульсов в конденсированных средах с различными законамиматериальной дисперсии; в изучении формирования и эволюции множества филаментов иплазменных каналов в фемтосекундных лазерных импульсах с мощностьюмногократно превышающей критическую мощность самофокусировки; в оптимизации пространственного упорядочения множества филаментов,образующихсяприраспространенииввоздухетераваттныхфемтосекундных лазерных импульсов; в анализе возможности создания виртуальной направляющей системы изпучка плазменных каналов филаментов мощных фемтосекундных лазерныхимпульсов для передачи СВЧ излучения в воздухе.3.

Научная новизна работы1. Предложен и апробирован метод комплексной фазы для задачи осамофокусировке пучка в среде с кубичной нелинейностью. Методосновывается на преобразовании С.М. Рытова.2. Построена оригинальная интерференционная модель формированияизлучения конической эмиссии суперконтинуума при филаментацииимпульсов в среде с произвольным законом дисперсии.

Согласно моделиугловой спектр конической эмиссии является результатом интерференцииизлучения широкополосных точечных источников, движущихся с групповойскоростью по оси филамента.23. Впервые объяснен распад радужного излучения конической эмиссии наконтрастные дискретные кольца, возникающие при рефокусировке.Установлено, что частотно-угловой спектр конической эмиссиисуперконтинуума определяется дисперсионными свойствами среды,протяженностью излучающих областей филамента и их взаимнымрасположением в объеме среды.4. Впервые найдены оптимальные параметры амплитудных масок дляпространственной регуляризации множественной филаментации мощныхфемтосекундных лазерных импульсов.5. Новым является анализ возможности создания виртуальной направляющейсистемы из пучка плазменных каналов филаментов мощныхфемтосекундных лазерных импульсов для передачи СВЧ излучения ввоздухе.4.

Практическая ценность работы1. Развитый метод комплексной фазы позволяет снять существующиеограничения в теоретических исследованиях, в частности, при численноммоделировании радикально расширяя динамический диапазон измененияамплитуды и интенсивности светового поля в пучке.2. Аналитические выражения для углового распределения спектральныхкомпонент конической эмиссии суперконтинуума, полученные на основеинтерференционной модели применимы для анализа частотно-угловыхспектров фемтосекундных лазерных импульсов при филаментации в средахс произвольным законом материальной дисперсии.3. Оптимальныепараметрыамплитудныхтранспарантовпозволяютминимизировать влияние случайных возмущений амплитуды и фазы впоперечном сечении пучка на формирование упорядоченного множествафиламентов.4.

Виртуальная направляющая линия, формируемая плазменными каналамимножества филаментов в воздухе, может использоваться для передачи СВЧизлучения.5. Защищаемые положения1. Частотно-угловой спектр мощных фемтосекундных лазерных импульсов прифиламентации в прозрачной среде претерпевает существеннуютрансформацию, которая в значительной степени определяетсяматериальной дисперсией среды. В области нормальной дисперсиигрупповой скорости частотно-угловой спектр в координатах (, )принимает, так называемую, Х-образную форму, в области нулевойдисперсии — Fish-образную, в области аномальной дисперсии — Ообразную форму.

Частотно-угловой спектр импульса, распавшегося на3субимпульсы, которые распространяются с различными скоростями,представляет собой суперпозицию спектров каждого из них. Прирефокусировке светового поля в частотно-угловом распределениисуперконтинуума возникает модуляция, которая приводит к расщеплениювидимых радужных колец конической эмиссии на отдельные дискретныекольца.2. Простая модель, построенная на основе представлений об интерференцииизлучения точечного широкополосного источника, движущегося сгрупповой скоростью импульса, позволяет получить аналитическоевыражение для углового распределения спектральных компонентсуперконтинуума при филаментации лазерных импульсов в средах спроизвольным законом материальной дисперсии.

Модель воспроизводиттрансформацию частотно-углового спектра с увеличением длиныфиламента, при распаде импульса на субимпульсы и при образованиипоследовательности соосных излучающих областей, возникающих вфиламенте при рефокусировке.3. Для светового пучка, состоящего из двух парциальных гауссовых пучков,разнесенных в плоскости поперечного сечения, существуют две величиныкритической мощности самофокусировки, при превышении первой изкоторых формируется один нелинейный фокус на оси, при превышениивторой — два разнесенных фокуса. Значения критических мощностейзависят от радиуса парциальных пучков и расстояния между ними.4. Наибольшая эффективность подавления влияния случайных возмущенийинтенсивности на зарождение филаментов достигается, если в ячейкахсеточного транспаранта, создающего регулярную амплитудную модуляцию,содержится мощность, в (3.1÷3.2) раза превышающая критическуюмощность самофокусировки в среде.5. При определенной конфигурации совокупность плазменных каналов,формируемых в воздухе фемтосекундными лазерными импульсами, являетсявиртуальной направляющей системой для передачи СВЧ излучения.6.

Метод комплексной фазы в задачах о самофокусировки пучка в среде скубичнойнелинейностьюпозволяетсущественнорасширитьрассматриваемый диапазон изменения амплитуды светового поля притеоретических исследованиях.6. Апробация результатов работыОсновные результаты работы опубликованы в 8 научных статьях вжурналах «Квантовая электроника», «Applied Physics B», «Письма ЖЭТФ»,«Радиотехника и электроника», «Laser Physics», «Topics in Applied Physics»,«Proceedings of SPIE».Результатыдокладывалисьнамеждународныхконференциях:Международная конференция студентов аспирантов и молодых ученых по4фундаментальнымнаукам«Ломоносов»(Москва,Россия,2005);Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика»(Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2007, 2009); International Conference onCoherent and Nonlinear Optics / International Conference on Lasers, Applications,and Technologies (Минск, Белоруссия, 2007); Photonics and Laser Symposium(Москва, Россия, 2007); SPIE Optics and Photonics (San Diego, USA, 2007, 2009);International Conference «Laser Optics» (Санкт-Петербург, Россия, 2008); 2ndInternational Symposium on Filamentation, (Paris, France, 2008); Third RussianFrench Laser Physics Workshop for Young Scientists (Санкт-Петербург, Россия,2008); VI Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемысоздания лазерных систем» (г.