Динамика мощных ультракоротких лазерных импульсов в резонансных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ8 ОД

,, „ , ..^Физичесхий институт кв. П. Н. Лебедева РАН

ПРОКОПОВИЧ ИГОРЬ ПЕТРОВИЧ

ДИНАКИКА НОИННХ УЛЬТРАКОРОТКИХ ЛА32РНЫХ ИМПУЛЬСОВ В РЕЗОНАНСНЫХ CPSBAI

Спецтильность / 01.04.21 - лазерная физика /

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фнзню-матояатическнх nayz

ИОСКВА 1993

Работа выполнена в Физичаскои институте ям. П. Н. Лябодана РЛН

НаучНиЯ руководитель:

доктор физико-математических наук Э. И. Беленой

Официллыше оппонента".

доктор Физюго-ватенатяческкх нвук Ю. В.Афанасьев (ФЙАЮ

доктор «Гязтсо-натекагичесхих наук И. В. Федоров (ИОФАН)

Веду^ап организация: Институт Опзстиг им. Б. И.Степанова АН Беларусии

Занята соетоитсе"_"_1993 г. в_часов

на заседании Специализированного Ученого Совета К. 002.39.01 Физичесяого института ей.П.Н.Лебедева РАН по адресу: Москва,117924.Ленинский проспект,53.

С дисертацней ножно ознакомится в библиотеке Физического института ви. П. Н. Лебедева РАН.

Автореферат разослан"_"_19&Э г.

Ученый секретарь Специализированного Совета:

. кандидат ©извко-матеиатическнх наук В.А.Чуенлов

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теиа- В настоящее время происходит стренвтельное развитое области Физики, связанное с получением сверхмощных и ультракоротких лазерных импульсов и их взаимодействием о раэяачиыни средаии. Проведенные теоретические и эксперимгнтаяьные работа показывают, что создается инструмент, позволявший проводить уннгальикс исследования практически по всен направлении« сизй«и, а ТЕИв В ХШ5ИП, биологии о другие областях.

Переход £ фентосекуцдноиу диапазону длительностей шшульсов позволил уполноить пороги ионизация • ( и, следовательно, оптического пробои диэлектриков ), а это. в свою очередь, позволяет исследовать различные нелинейное явления в средах при шггенскшностнх > 10 Вт/сн . Это открывает новые возможности диа нелинейное оптики. Проводцные а настоящее время работа по нногоиратной ионизации атомов в сверхсильных лазерных полах внеют Фундаментальное значение дла атонной физики. Получение ультракоротких и сверхмощных лазерных импульсов служит источникоа быстрого прогресса в продвижении когерентного излучении п коротковолновую область при генерации гармоник высокого породаа в благородных газах. В перспективе этих исследований при увеличении платности потока энергия на ниве ни свыаа 102*Вт/см* в теоретических работах здесь . предсказана конверсия энергии лазерного импульса о когерентное излучение с длиной волны меньие • ангстрема, причем, эффективность преобразования может достичь 10 . О бяинайиае время во многих лабораториях планируется строительство лазеров способных создавать на нваени плотности потока энергии 10 -10 Вт/си . Достижение таких интенсивноетай лазернг -о пола позволит проводить уникальные эксперименты в таких, например, областях как ускорение элементарных частиц, ядерная физика, нелинейная квантовая электродинамика- и др.

Благодаря разработке как техника усиления

фозово-иодулировнных импульсов, так и широкополосных усиливающих сред происходит быстрый прогресс в генерации сверхиоцных ультракоротких лазерных юшульсов. Одними из самых перспективных здесь оказывается широкополосные твердотельные

лазерн с которыми свяэивают будущие рекордные достахонап. Например, сапфир о ионами титана, инее ширину линии усилении около 3500 сн , позволяет ' рассчитывать на усиление пттульсиа длительностью т Й 10 фо до энергий а десягкп даоуяеа.

Для получения рекордннх значения мощности лазерного импульса, и, особенно, дли достижения максимально» компактности в экономичности лазерной установки необходимо получение ваксимального КПП снятия энергии с инвертированной среди. Известно, что теоретический предел иаксниального КПП снятия энергии с инвертированной среда в иекогерентном ревпнв пзаииодейстпяя импульса с усилгнасдао средой (т.е. когда длительность импульса т » TJ, , где Г^ - время однородной релаксации поляризации среда) равен Б0 X . Теоротичоспиа ве продел влксапального КПД снятио энергии в когерентной рехваэ взаимодайствЕП (т « Т^) pasen 100 X , т.е. ияпульс можат снята всэ запасенную в среде энергия. Эти обстоятельства-, а танца необходимость перехода ко все более коротким по длительноет2 сазеряия ииггульсам, валяются одним из стимулов для изученвз 1>егамов когерентного усиления.

При достиненип ультракороткий лазерный пипульсои определенных пороговых мощностей открываются канелн эффективного вынужденного рассеяния его энергии. Например, недавно обнаружено - теоретически п экспериментально - что при достяяекяв определенного порога модности импульсом, распространаючимсп в среде, происходи? спонтанное образование солито но аодобпкх пкпульсов вынунденггаго комбинационного рассеяния, в которае перекачивается больная часть энергии первоначального импульса. Особенно эффективно вннухдониов комбинационное . рассеяние иоцного ультракороткого импульса происходит, когда его длительность т < Т® ( Т* - ранановскоо время когерентности в среде ) и спектр импульсп захватывает одну . ила несколько собственны^ частот колебаний в среде, т.е. при вынукденнои когерентное резонансном еаиорассевнил.

Еще одниа атрибутом динамики ультракороткий лазерннх импульсов при достижения ими определенного порога по мощности является сильное самоуиирение спектра. После открытия генерации спектрального суперконтинуума и демонстрации его " в различна*

средах, вжлпчаи твердые тепа, жадности и газы, поникание этого эффекта все еце далеко от своей полноты. Все разработанные теоретические водели столкнулись с серьезными трудностпня, более того, на одна из них не является достаточно универсальное, чтобы объяснить обвде закономерности, которые наблюдалась и такой разнообразии сред.

Цель настоящей работы - показать, что Фазовая ьодуляцин

позволяет достигать накскиально эффективного эноргосъева о

инвертированной среда в пограничной области войду когерентный и

некогерентнкм взаимодействуем ( т * ), полного энёргосьема при

когерентной взаимодействии ( т « Т' ), в случае неоднородо » л

ТВиренней линии в т > ( Тх - вреия неоднородной дефазиривкн излучателей ); а также показать. что для достаточно ноцнше ультракоротких лазерных инпульсов про взаинодействии со средой в ранках реального пола а реальной индуцируемой и» поляризации (т.е. без праблихенаг огибасадах ) учет двухбайтовых процессов ранановского типа нокет приводить к новею эффектам в дин анике нх пола и спектра ( в частности. эффективно получать так называемые видеоимпульсы ), п построить теоретическую иодель сверхуяирения спектра пола и генерации суперконтинууиа.

Научная новизна. В работе показана возвохность, для инпульсов с т > Т и для определенных пороговых значений мощности и чирпа импульса ( экспериментально реализуемых ) в случае когерентного взаимодействия, перевода всего спектра частиц С Т2) с верхнего уровня на нижний и теп сашт полного сьема энергии импульсом, а в пограничной иевду когерентным и некогерентным взаимодействием случае - максимально эффективного съема энергии. Впервые показана возможность оптического выправления на основе двуххвантовых переходов ранановского типа, причем эффективность такого способа оптического' выпрямления иохет превышать на несколько Порядков реализуевый в настояцее вреия за счет черенковского излучения сверхкороткого инпульса в среде. Показана возможность получения в среде лазерного инпульса в полпериода колебаний. Построена теоретическая нодель унирения спектра и генерации суперконтинууиа, удовлетворяющая самым общим требованиям, сформулированным для такой теории. хороио согласующаяся с' многочисленными

экспериненталышни давнани, п предсказывающая попав эФЗюктн.

Практическая ценность работы

1. Полученные результаты могут бн-хь вспользованы дли достияенио иаксякально позноютого КПД лазерных усилителей а ренорлнш мощностей ультракоротких лазерных иппульссп.

2. Результата работа пояазнаавт зоззогаость весьма эофсктешкого преобразования спектра водного ультракороткого «аеернсго пмауласа в различных средах, оптического ваяранлениэ, превосходящего па несколько порядков по эффективности кетод, испольэу^чгй черенкоаское излучение сверхкороткого. шшульса в с.еде, п пояучеиаа в средах норшнх видеоетшульсоз я одсм период п даго а полпегзо.ги колебаний.

3. Поатроатг.и теоретическая нодель сверхуиярвная спектра и гене!рацся суперконтинууиа ионными ультракороткими ялзерккан гиЕуп&соют позволяет с едетгаг позиций обьаскить результата многочисленных экспериментов п этоа области дла разиачкая сред. оценит» поэнояностя и пороги коцности лазерного импульса для ерэд, а которых евзрхуьиренио спектра и генерации суперконтииууаа пока экспериментально не наблюдались.

На завдту вкносятся основная результата лрссертацкя, сформулированные в конце автореферата.

Апробация работы. Основное результата диссертации

доиладшмлксь на XIII Невдукарокноа конференции по когерентной п нелинейной оптике ( Нянек, 1908 ), на севинарах по теоретической радиофивпке СИАН, иа секянаре отделения обцеп фнзшш и золновгм процессов ЙГУ. на Международной конференция по лазерам и электрооптике ( СЬКО-ОЗ, Ва1г1иога, 1993 >.

Публикаций. По натериалаи диссертация оиублвкспано 7 из пах две - тезисы докладов. Синеок работ приведен п Еокце автореферата.

Структура и объем диссертация. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литерат?рк. Общий объе« диссертации составляет 103 страницы и включает я себя 34 рисунка я список литература яэ 187 наименований.

б

КРАТКОЕ СОДНРЯАНИЕ РАБОТЫ

Во ввелоидя дано обоснованна актуальности работы и кратко нзлояеко содержание работн. Дан краткий • обзор литературы. Сформулирована цель работы.

В первой- главе рассиатртзаетсп вэакаодействис фазово-водуянрованного ультракороткого киаульса с резонансной средой двухуровневых частиц с неоднородно уваренной лина-эй. В § 1. 1 дается краткое обоснование основных уравнений и постановки дроблены на численного ревення. Кратко из логе но, как разработанная програива для ' численного моделирования основных уравнений тестировалась по взвестмыи на сегодня некоторым частный, как апа/;нтичеСЕии, так в часленкка ресошзин отнх уравнений. В 4 1.2 показано, что неучет важных фазовых характеристик пола и фазовое пзкнте среды в законе Бугера-Ланберта-Бэра приводит к нэиизолнекию этого закона при когерентном взаимодействии ультракороткого лазерного шгауяьса с резонансной средой. На основе численных ревений системы уравнений Ыаксвелла-Бяоха для среда, находящейся в основной состоянии, показано, как можно управлять фазовой езмокодуляциеа Енпульса га счет начальной отстройки его несущее частоты от ценра резонансное линии средн. а такие показано, как при отом .фазовая модуляция, поавивяаяся у импульса, влияет на его огибаюцую и энергии прв его дпкяелии через среду. При определенной базовой иодулацшз у огибавдеа импульса подавляется развитие осцилляция зарактерних для когерентного взаимодействия со средой. В % 1.3 показано, что в случае когерентного ( т « Т^ ) и существенно нелинейного (т.е. & > 1, где 6

величина довольного момента перехода, К - огшбавцая пола

шзцульса ) вэавиодеяствпа со средой с больики неоднородный

* «

увирениен линия, так что ' > , для каждого значения Тг

существуют значения & а Р ( Р - скорость изменения частоты Енпульса ), такие что импульс осуществляет полный съек энергии с инвертированной среда. Указаны преимущества полного съема энергия о поноцью танах ©азово-кодулированных импульсов перед так наэмваеиыки п - 'инпульсани ( й = п ). Показано также, что на определенных длинах усиления начальная Фазовая нодуляцяя

полностью подавляет осцилляции огибэкщеа, связанные с когерентным характерен взаимодействия. и обеспечивает сохранение формм инпульса, хотя в дальнейнеи на больвях длинах усиления Фаэово-анплнтудное взаимодействе я приводит к их азаимомодуляцяя, что, впрочем, как показывает численный анализ, не ухудшает эффективность энергосъема. Показано такге, что в области несущественно нелинейного пзаикодействип (т.е.II 0 II < 1 .где II ö II = 2d/tiJ^™|K(a , t> Idt ) любая фазовая модуляции импульса ведет к ухудшении эффективности сьева энергии с инвертированной среда. В § 1.4 рассматривается задача снятия энергии с инвертированной » среды при т > Т2 в пограничной области неаду когерентная и некогерентныи вяаикодэйстваеи ( г ~ Т^ ) импульса со средой. Найдено, что для ноцных импульсов с II 0 II > 1 соответствующий уегкм чирпа (значений f) позволяет получать иансимаяьно эффективный энергосьеи с инвертированной среды. При II & II < 1 любая Фазовая яодуляцвя, гак и в случав когерентной (§ 1.3) , ухудшает энергосъен. В заключительной части параграфа кратко обсуэдается влияние на эффективность энергосьена сори импульса, линия усиления, функции Фазовой нодулпции. В § 1.5 рассмотрена особенности усиления нкпульсов с площадью ö пратной 2п. Эта задача нонет оказаться особенно актуальной для кногоксскадных усилителен, имеющих разине дэпояькне номенты рабочего перехода. 3 усилителе, согласно квантовонеханической теорене площадей Мал-Колла-2ана С S.L.HcCall and E.L Hahn, Phy3.Rov. 1вз , 457 (1969) ), иипульсы с в = 2"в ( а = 1, 2,' ... ) валяются стационарными решениями, но они неустойчива и, как показывают численике ресеняя системн уравнений Иаксводла-Блоха дли когерентного случая взаикодействия н неоднородно уииренной линии ( F.A.Hopf and H.O.Scully, Fhys.Roy. 170 , 399 (1969) )'эволюционирует к инпульсам с & ~ "(2m - 1). Но эта эволюция, как показывают численные исследования, представленные в этом параграфе, может оказаться весьма затянутой, так что ягшульс с начальной площадью в - 2лт мокет проходить расстояния z = i/oс ( а - пикейный коэффициент усиления ), почти не усиливаясь а оставляя за собой сроду в инвертированном состоянии. Показано, что такое анональное прозрачное прохождение импульсов через

инвертированную среду можно исключить в добиться паксималмю

в

эффективного съема энергии 2лв-иапульсои за счет его чнрпкрования с определенный Р.

Во второй глап--} рассматривается влияние вынугденного саморассеяния на динамику ьог5Нкх ультракоротких лазерных ииауиьсов. В § 2. 1 дается обоснование необходимости учета дпуЕквантових щоцессов романовского тняа длв субсвкосевундньа; кмг.ульсов. при достек-эний имя определенной пороговое мощности, практически дли всех сред. Пр»яюдятсп основнье уравнение и рассматривается задача их численного иоделпрованяя. Укачано на то, ччо рассиатркьаеиыо уравнения вогут опвсывать различные процессы, такие, например, как рассеяние лазер!К>го иипульса на колебаниях нолекул, рассеяние на оптических фонолах п твердое теле, рассеяние Ь'андельятама-Ерлллгззла { хаи частный случай ко&банг циоаного рассеенаа на акустических оононах >, рассея;гае на саязаннах элаптрон-фононнцх возбунданичх. аонбияационноо рассеяние в акорфитс иолупроводнгашх, ьзвдкостих, стеклах, комбинационное рассеяние в аиогокоыаоаеитной влазгга, коибииацкониоз рассеяние на форгшепгкь: сшгнопнх евстеках, взаккодгйствке лазерного импульсе с сюотекой с запрещенный в злоктродиаольноа вриблигении переходов, двухквантовка переходы ранановского типа зю ркдберговсквх уровнях атоноп к т.д. В § 2.2 зрасскатриваетсз динаисаа мощного ультракороткого лазерного гашульса при его г вынужденном саиорассеянви на дзушизантовык переходах рамановского типа в среде. Гасснотренве ведетеа дла ргаььного пола я реальной индуцируемой им поляризации, т.е. без приближения огибающих. Это позволяет рассматривать лвбко длительности еипулйсов и выявлять новые фкзическЕо э4«кжты. Показано, что если длительность аыпульса достаточно пала, так что его спектр захватывает одну ная несколько частотных компонент рамановского перехода ( санорассесниа ) в а случае когерентного взаимодействия ( т < Тг ) существуют пороговые значения ноккости при которых происходит интенсивное преобразование поля и его спектра. В & 2.3 показано, что при опредеяеннах мощностях инпульса ревки когерентного саиорассеяния на доухквантовых переходах ракаиовского тляа позволяет с високоб •эффективностью производить оптическое вшзряаисние к получать так называепые видооЕМпульси с эффективностью на несколько порядков

Э

больной, п теа саиин на несколько порядков более ж>ищае, . чей. получаемые за счет черенковского излучения сверхкороткий импульсов < D. Н. Au3ton, К. P. Cheung, J. A. 7aldmani3, D. A. Kleimxan, Phya. Rey. Lett. S3, 1555 (1S84) ). Показана также возиокяосгв получения в среде лазерного пнпуяьса в полперяода колебаний.

В третьей главе рассмотрен вопрос сверхупигреняя спектра новншс лазерных импульсов при двуххвантоанх процессах романовского типа. В $ 3.1 дается краткое введение в проблему сверхуинрепип спектра я генерации суперкоятвнуума цоютыии ультракороткою! лазерными смпульсайн. Кратко сказано о принципиальных тру. ..¡остях с которкни столкнулись разработанные теоретические кодзлв. В % 3.2 рассматривается теоретическая модель еверхуивреная " спектра и генерации суперконтннууна на основе когерентного саиорассеяяия- пря цвухквантовых процессах рамановского типа для мощного ультракороткого лазерного гатульса. Проводится- сравненве О экспериментальною! работами по сверхуииренвя спектра и генерации зуперкоктпнууна нокныии ультрокоротшпот лазерными ивпульсаин в различных средах. Представленная теоретическая модель хоропо объясняет экспериментальные данные, а такие преасказивает новяе эффекта. Например, для преобразования спектра оптических ролитоноа з световодах ( 8. И. Янанов, А. Я. Харяспк, П. В. Накыеев и др. Пвсыш в 23ТФ. 41. 242 (1985); F.M.Mitchke, Ь.F.tíollenáuer, Opt. Lett. « , 359 (1986) ) она предсказывает наличсе е^а одного более высокого горога по еацности при котором начнется очень эффоктезнсэ упиренве sro спектра и в коротковолновую область.

В заключении сформулированы основные результаты работе, >тмечена практическая ценность.

ОСНОВНЫЙ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Показано,что для любой неднородно упаренной линии швертированной среды, такой что Т* < т .существует пороговая ющность импульса и соответствующая скорость изменения частот», гозволявцие осуществить перевод частиц всего спектра ( Тг ) 1 с юрхнего уровня на нижний, а это означает полный сьеи энергии шпульсом с инвертированной среды, для случая 'когерентного

взаимодействие. В промежуточной нейду когерентным и некогерентныи взаимодействием случае ( т ~ Т^ ) подобный режим позволяет получать наксивально эффективный сьем энергии юшульсо* с инвертированное средн. Кроме того найдено, что фазовая модулицмя подавляет №1 некоторой длине усиления осцилляции пола, связанные с когерентным ренином взаимодействия импульса со средой.

2. В рамках реального поля я реальной, индуцированной им поляризации, т.е. без приближения огкбаюцих, показано, что если длительность импульса такова, что в полосу его спектра попадает рзэонансный двухквантовый переход равановского типа, то существуют пороговые мощности при которых в динамике пола и спектра импульса происходят быстрые Качественные изменения. Найдена, в частности, возможность получения а одном из таких режимов' эффективного оптического выпрямления лазерных импульсов с . получения видеоимпульсов. Причал, эффективность в этом случае на несколько порядков Ецие той. которая получена при получении видеоимпульсов за счет черепковского излучения сверхкоротких световых импульсов в среде. Показана такса возможность получения в среде лазерного импульса в полпериода колебаний.

3. Построена теоретическая модель, основанная на динамике импульса для реального поля а реальной индуцированной еш поляризации с учетом двухквантоввх переходов рааанивского твпа, сверхупирения спектра в генерации суперконтснуума моцншш ультракороткими лазерными импульсами в различных средах. Она удовлетворяет всем обцим требованиям, сфорнулированным в эспереиентальных работах к будуней теории по генерации суперконтинуума, и хорошо согласуется с экспериментальными данными. Данная теоретическая модель предсказывает также после Физические эффекты для мощных сверхкоротких лазерных импульсов. Например, для оптических солитонных импульсов в оптических волокнах она предсказывает более высокий порог по ноцноста, чем порог при котором экспериментально наблюдается вынужденное комбинационное саморассеяние в длинноволновую область спектра, при достижении этого более высокого порога начнется эффективное расширение спектра солитона в коротковолновую область.

ПУБЛИКАЦИИ

1. И.И.Д еечук, В. П. Калоша, Н.А.Наничев, В. П. Нахайлов, И. П.Прокопович, Д.В.Страпко. " Исследование неханизков

Формирования чпрпа ультракоротких импульсов твердотельных лазеров при когерентных в некогерентных взаимодействиях. ", Тез. докл. XIII Иендународной кон®, по когерентной и нелинейной оптике.- Минск, 1988. Часть I, с.97-98.

2. И. И. Дгнчук, В. II. Калоша, В. П. Михайлов, И. П. Прояонович, Л. В. Страшю, " Фазопаа кодулпциа при резонансных взаикодействиях ультракороткого гапульса о двухуровневой атонннни скстемавп. ", П. прнкл. спектроск. В1 (1999) 701-704.

3. Э. М. Беленов, П. Г. Криков, А. В. Назаркин, И. П.Прокопович, " Когерентное вааииодеоствае еаэово-иодулированных инпульсов света с актнвной средой двухуровневых частиц с неоднородным уыирениен. ", 2ЭТФ 100 (1991) 105-112.

4. К. М. Belenov, P. G.Kryukov, А. V. Hazarkin and I. P. Prokopovich. " Chirped pulse coherent ampllflkation Hlth full extraction of

active mediuia energy. ". Opt. Сошзип. ее (1992) 468-472.

5. Э.М. Беленов, А.В.Назаркин, И. П. Прокопович, " Динамика ноцного еемтосекундного ивпулвса в комбинационно-активной среде ", Пасьма в ВЭТФ 55 (1992) 223-227.

6. В. Н. Belenov, А. V. Nazarkin, I. P. Prokopovich, " Conversion of light pulse Into video pulse in a Raman - active mediuo.", in Conference on Lasers and Blectro-Optics, Technical Diffeat Series, Vol. 11, ( Optical Society of America, Washington, D. C. .1993 ) p. 358 .

7. Э.И. Be ленов. И. П. Прокопович, " Лвухкваитовне процессы конвиНациомиого типа в сверхуширении спектра водных ультракоротких импульсов света.", Хвант. электрон. 20, 577 (1993).