Экспериментальное и теоретическое исследование нелинейного взаимодействия мощного фемтосекундного лазерного излучения с газами и плазмой в диэлектрических капиллярах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

КАРТАШОВ Даниил Валерьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ГАЗАМИ И ПЛАЗМОЙ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАПИЛЛЯРАХ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2004

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научные руководители:

кандидат физико-математических наук А. А. Бабин

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН A.M. Сергеев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук В.Б. Гильденбург

доктор физико-математических наук М.Б. Агранат

Ведущая организация:

Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова

у *л I» **

Защита состоится " ¿0 " ^'¿¿г 2004 г. в / / час. на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г.Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан" /<¥ " 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук

Ю.В. Чугунов

У /3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание в середине восьмидесятых годов фем-тосекундных лазерных генераторов и развитие техники усиления частотно-модулированных лазерных импульсов [1, 2] произвело, без преувеличения, революцию не только в лазерной физике, но и в современной физике в целом. Благодаря ультракороткой длительности генерируемого лазерного излучения, при относительно небольшом уровне энергии, содержащейся в лазерном импульсе, стало возможным получение беспрецедентно больших мощностей лазерных импульсов - тераватгаого и петаваттного уровня, и плотностей потока световой энергии - до 1022 Вт/см2 [3]. В результате взаимодействие такого излучения с веществом, вне зависимости от его агрегатного состояния, приводит к образованию плазмы. В процессе дальнейшего взаимодействия образовавшейся в результате ионизации вещества плазмы с излучением, заряженные частицы в сверхсильном лазерном поле могут достигать ультрарелятивистских энергий движения. Поэтому создание тера-ваттных лазерных комплексов привело к появлению новой области физики - физики сверхсильных оптических полей, которая тесно связана с физикой плазмы и физикой высоких энергий.

Одной из ключевых проблем физики сверхсильных полей является проблема генерации, усиления и компрессии ультракоротких лазерных импульсов. В ее решении в настоящее время уже достигнуты значительные успехи. Для генерации фемтосекундных лазерных импульсов предельно короткой длительности разработана схема компрессии, основанная на нелинейной фазовой самомодуляции спектра лазерного излучения в газонаполненных диэлектрических капиллярах, которая компенсируется внешним дисперсионным широкополосным компрессором [4]. Эта схема позволяет получать лазерные импульсы длительностью в единицы оптических периодов на рекордно высоком, при такой малой длительности импульса, суб-мишгаджоульном уровне энергии, что соответствует пиковой мощности в импульсе —0.1 ТВт. Недостатком ее является ограничение по энергии компрессируемых импульсов, связанное с ионизацией газа в капилляре.

На более высоком уровне мощности - до 100 ТВт - создана фемтосе-кундная лазерная система с длительностью импульса ~10 фс [5]. Однако продвижение к петаваттному и выше уровшо мощностей лазерных импульсов сталкивается с проблемой лучевой стойкости оптических элементов в усилительных каскадах и выходном компрессоре мощных лазерных систем, построенных по традиционной схеме усиления частотно-модулированных лазерных импульсов.

Целью работы является:

- разработка схемы компрессии фемтосекундных лазерных импульсов до предельно коротких длительностей на суб-миллиджоульном уровне энергии, основанной на солитонном механизме самосжатия лазерных импульсов в нелинейной среде;

- численное исследование и экспериментальная реализация схемы компрессии фемтосекундных лазерных импульсов на миллиджоульном уровне энергии с использованием ионизационной нелинейности для создания нелинейной фазовой модуляции в спектре импульсов;

- численное исследование и экспериментальная реализация схемы усиления мощных фемтосекундных лазерных импульсов при обратном рама-новском рассеянии в плазме.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Аналитически найден новый класс устойчивых солитонных решений нелинейного волнового уравнения с нелинейностью керровского типа и волноводным законом дисперсии.

2. Предложена новая схема компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей с использованием найденных солитонных решений нелинейного волнового уравнения.

3. Экспериментально определены зависимости спектральных характеристик мощного лазерного излучения, распространяющегося в газонаполненном диэлектрическом капилляре в режиме ионизации газа, от параметров лазерного излучения, сорта и давления газа. Предложена простая модель ионизационной динамики мощных лазерных импульсов в газонаполненных диэлектрических капиллярах, позволившая получить хорошее качественное согласие результатов численного моделирования с экспериментом.

4. Экспериментально получена временная компрессия мощных фемтосекундных лазерных импульсов, прошедших через газонаполненный диэлектрический капилляр в режиме ионизации газа, с помощью простейшего внешнего компрессора - плоскопараллельной кварцевой пластины, - обладающего нормальной дисперсией групповой скорости.

5. Экспериментально реализована вырожденная схема усиления фемтосекундных лазерных импульсов на эффекте обратного рамановского рассеяния в плазме, создаваемой в газонаполненных диэлектрических капиллярах мощным предварительным лазерным импульсом. Получены рекордные значения коэффициента усиления затравочного импульса и продемонстрирована возможность широкополосного усиления.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты представляют большой интерес для создания фемтосекундных лазерных систем те-раватгного и петаватгного уровня мощности сверхкороткой длительности.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В средах с волноводным законом дисперсии и кубичной безынерционной нелинейностью показателя преломления существует новый класс со-лигонных решений нелинейного волнового уравнения, являющихся продолжением известных солитонных решений эволюционного уравнения для огибающей электрического поля в лазерном импульсе в область предельно коротких длительностей. Существование этих решений позволяет предложить схему компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей на суб-миллиджоульном уровне энергии с произвольной поляризацией вектора электрического поля в импульсе.

2. С использованием ионизационной нелинейности возможно создание схемы компрессии мощных фемтосекундных лазерных импульсов на мил-лиджоульном уровне энергии.

3. Вырожденная схема усиления фемтосекундных лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме с использованием газона, полненных диэлектрических капилляров позволяет достичь больших величин коэффициента усиления.

При выполнении работ соискатель принимал участие в постановке и проведении экспериментов, численном моделировании результатов экспериментов, обработке и обсуждении результатов. По второй главе диссертации, результаты которой опубликованы в работах [11 , 12*], соискателем была выполнена постановка задачи, предложена идея компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей в капиллярах, заполненных газо-плазменной смесью. Под его руководством выполнено численное моделирование и определены основные характеристики предложенной схемы компрессии. Соискатель является полноправным соавтором аналитических решений, найденных и исследованных в совместных работах [1 Г, 12*]. По третьей главе диссертации, результаты которой опубликованы в работах [5*, б\ 7*, 10*], соискателем разработана модель распространения мощных лазерных импульсов в газонаполненных диэлектрических капиллярах в ре> жиме ионизации газа, выполнено численное моделирование планируемого эксперимента и определены основные зависимости характеристик лазерных импульсов на выходе капилляра от их начальных параметров. Эти результа-к ты были использованы при разработке схемы и выборе параметров эксперимента. В ходе проведения экспериментальных исследований, соискатель принимал самое активное участие в разработке схемы эксперимента, его проведении и обработке результатов. По четвертой главе, результаты которой опубликованы в работе [17*], соискатель принимал участие в разработке теоретической модели вырожденного обратного рамановского рассеяния широкополосных лазерных импульсов в плазме. В рамках этой модели соискателем выполнено численное моделирование планируемого эксперимента, результаты которого были использованы при разработке схемы и выборе параметров эксперимента. В ходе проведения экспериментальных исследо-

ваний, соискатель принимал самое активное участие в разработке схемы эксперимента, его проведении и обработке результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием выполненных в работе численных расчетов с результатами экспериментов и соответствием полученных в диссертации теоретических и экспериментальных результатов в частных или предельных случаях известным результатам, полученным другими авторами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO'2001 (Минск, Беларусь, 2001 г.), Ежегодном международном совещании по лазерной физике LPHYS (Москва, Россия, 2001 г.; Братислава, Словакия, 2002; Гамбург, Германия, 2003 г.; Триест, Италия, 2004 г.), Международном российско-итальянском совещании по лазерной физике ITARUS'2001 (Санкт-Петербург, 2001), Международной научной конференции Ultrafast Optics 2001 (Château Montebello, Québec, Canada, 2001 г.), Международной конференции IQEC/LAT 2002 (Москва, 2002 г.), Международном симпозиуме Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (Нижний Новгород, 2003), Второй Международной конференции Frontiers of Nonlinear Physics (Нижний Новгород, 2004) и опубликованы в реферируемых изданиях в работах [5"-7*,10*-12*,17*].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Общий объем работы 151 страниц, включая 45 рисунков и 3 таблицы. Список цитированной литературы включает 121 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели, изложена структура диссертации, приведены выносимые на защиту положения.

В первой главе сформулирована общая модель распространения мощных фемтосекундных лазерных импульсов в газонаполненных капиллярах с учетом различных механизмов нелинейного взаимодействия излучения с газом. В качестве основных физических механизмов нелинейности рассматриваются безынерционная керровская нелинейность показателя преломления нейтрального газа и ионизационная нелинейность в туннельном режиме. В качестве основных типов дисперсии рассматриваются дисперсия нейтрального газа, плазменная и волноводная дисперсия. В предположении безотражательного распространения квазиоптического лазерного пучка в среде волновое уравнение для амплитуды электрического поля Ё в лазерном импульсе с произвольной поляризацией может быть записано в виде:

б

2 д2Ё | д £_о2р(г±,г)- ^ад'Ё . 2пг д(

с &Эг

Ё—Ег-Ег с Эг4 Зс 5г1 ег

ад)з(Ё ар ,п

Вт) с- ат{Ег дт)

Здесь т=/-г/с - вакуумная характеристика волнового уравнения, определяющая направление распространения импульса, г - координата вдоль оси распространения, сар(гх,т) - плазменная частота, а - дисперсионная постоянная газа, имеющего закон дисперсии вида п(со) — п0 +2сп0асо2 [б], пг - коэффициент кубичной нелинейности газа, 1Р - потенциал ионизации газа, ЭДХгьт) - электронная концентрация плазмы. Это уравнение должно быть дополнено соответствующим граничным условием на стенке капилляра. Другой подход к решению задачи, используемый в диссертации, состоит в представлении пространственной структуры электрического поля по волно-водным модам капилляра, свойства которых приведены в работе [7] и приложении I:

(2)

Здесь у/™) соответствующие проекции электрического поля в моде цггт,

еХ:У - единичные орты соответствующих координатных осей. В этом случае эволюционное уравнение для проекций амплитуды конкретной моды в капилляре примет вид:

дгдт

2л,

9сА]{-у) дт2

Л*,у) л1к

О.,У)

с2А%у) дт

еМ

Ч пш

-)Т

та Л

дт

ЙГ

(3)

Здесь к.¡к и уд - действительная и мнимая компоненты постоянной распространения моды и интегрирование производится по поперечному сечению капилляра. Это уравнение представляет собой систему уравнений для связанных мод капилляра, связь между которыми в основном осуществляется благодаря нелинейностям. В то же время, возбуждение высоких волновод-ных мод является негативным эффектом, прежде всего в силу быстрого

убывания добротности с увеличением любого из индексов моды. Поэтому правильный выбор параметров уравнения (3) подразумевает обеспечение такого режима взаимодействия излучения со средой, при котором распространение излучения в волноводе происходит в квазиодномодовом режиме. Соответственно, в последующих главах уравнение (3) используется в одно-модовом приближении, условия применимости которого оговариваются отдельно.

Во второй главе предложен метод компрессии мощных фемтосекунд-ных лазерных импульсов за счет солитонного механизма самосжатия в диэлектрических капиллярах, заполненных газо-плазменной смесью. В этом случае интенсивность компрессируемых лазерных импульсов предполагается достаточно малой, чтобы не происходило ионизации газа. При этом основным механизмом нелинейности является керровская нелинейность нейтрального газа. Плазма в капилляре создается предварительным мощным лазерным импульсом и необходима для обеспечения режима аномальной зависимости дисперсии групповой скорости лазерных импульсов от частоты. Условие одномодового распространения излучения в капилляре принимает вид:

Здесь ки и к,2 - поперечные волновые вектора фундаментальной моды ЕНп и ближайшей к ней моды ЕНи, к0 - волновое число в вакууме, Р - мощность в лазерном импульсе, Рсг - критическа мощность самофокусировки, »//=2.405 и и¡2=5.52 - первый и второй нули функции Бесселя нулевого порядка, ас - диаметр капилляра, - нелинейный фокус (длина самофокусировки). Таким образом, одномодовый режим распространения реализуется при мощности лазерного излучения, меньшей критической мощности самофокусировки. При выполнении условия (4) уравнение (3) для рассматриваемого режима взаимодействия лазерного излучения с газом, записанное в проекциях на оси координат и безразмерных переменных, принимает вид:

Здесь собственные потери энергии в диэлектрическом капилляре, связанные с утечкой излучения через его стенку, считаются малыми на рассматриваемой длине трассы взаимодействия, что легко выполняется при достаточно большом диаметре капилляра. В рассматриваемом в диссертации случае доминирования плазменной дисперсии слагаемое с четвертой временной Производной, ответственный за газовую дисперсию, может быть опущен.

(4)

(5)

При этом для циркулярной поляризации поля в лазерном импульсе уравнение (5) имеет точные решения солитонного типа:

Свойства этих решений описаны в §2.2. При линейной поляризации поля уравнение (5), строго говоря, не имеет точных решений солитонного типа вследствие существования процесса генерации третьей гармоники. Однако, как показано в §2.3, условия фазового синхронизма для этого процесса в рамках (5) не могут быть выполнены никогда. Поэтому и в случае линейной поляризации электрического поля солитонные решения (6), являющиеся приближенными решениями, оказываются устойчивы при их распространении на большие расстояния и в процессе парных столкновений [1 Г,12*]. В предельном переходе к большим длительностям волновых соли-тонов (6) параметр 5—>0 и частотная модуляция становиться пренебрежимо малой. При этом амплитудный профиль и(г,х) трансформируется в хорошо известные солитоны огибающей нелинейного уравнения Шредингера и его модификаций. При уменьшении длительности эти решения осуществляют плавный переход от солитонов огибающей к волновым солитонам предельно короткой длительности, в которых формально выделяемые огибающая и частотно-модулированное заполнение играют одинаково важную роль с точки зрения их существования и устойчивости.

Вопрос устойчивости предельно коротких солитонов с учетом влияния высокочастотной дисперсии нейтрального газа рассмотрен в §2.4. С учетом высокочастотной дисперсии дисперсия групповой скорости в рамках (5) может обращаться в ноль в случае, если несущая частота поля Юо-ЮсгК^З)1'4. При о)0<юсг реализуется аномальная зависимость групповой скорости от частоты, при которой существуют решения солитонного типа, а при выполнении обратного неравенства - нормальная зависимость дисперсии групповой скорости от частоты, при которой солитонов (6) не существует. Показано, что предельно короткие солитоны устойчивы по отношению к влиянию высокочастотной дисперсии, если их спектр целиком расположен в области частот Сй«всг. В противном случае происходит их посте-

(6)

4 = =-Ц--1>0

1

пенное разрушение за счет параметрического четырехволнового взаимодействия с собственными волнами среды с ö>©er.

Проведенный анализ найденных солитонных решений позволил предложить новую схему компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей, основанную на солитонном механизме временного сжатия. Исследованию этой схемы посвящен §2.5. В этой схеме капилляр заполняется смесью гелия и газа, имеющего низкий потенциал ионизации (например, аргон или ксенон). Гелий обеспечивает керровскую нелинейность нейтрального газа и его выбор объясняется наибольшей величиной потенциала ионизации, что позволяет осуществлять компрессию на максимальном уровне интенсивностей. Второй газ с низким потенциалом ионизации служит для создания плазмы предварительно посылаемым мощным лазерным импульсом. Давление гелия составляет несколько атмосфер, а давление ионизуемого газа несколько Topp. Эти величины зависят от диаметра и длины капилляра. Однако, из соображений минимизации потерь энергии излучения в капилляре и обеспечения квазиодномодового режима распространения, диаметр капилляра должен составлять 100-200 мкм. Такая низкая концентрация легко ионизуемого газа объясняется следующими обстоятельствами. В силу большой величины дисперсии плазмы по сравнению с дисперсией нейтрального газа, такой концентрации плазмы достаточно для обеспечения аномальной зависимости дисперсии групповой скорости от частоты. В то же время, величина дисперсии определяет минимальную длительность, достижимую в результате компрессии, а так же длину компрессии. Поэтому концентрация плазмы должна быть достаточно низкой, чтобы обеспечить компрессию лазерных импульсов на требуемой длине до минимально возможной длительности. На рис. 1 приведены результаты численного решения уравнения (5), выполненного для планируемого эксперимента по сжатию 40 фс гауссова импульса с начальной интенсивностью 1013 Вт/см2 в капилляре диаметром 150 мкм, заполненном гелием при давлении 4 атм и аргоном при давлении 5 Topp. На длине капилляра 50 см происходит эффективное сжатие лазерного импульса до длительности менее одного оптического периода по половине максимума интенсивности. При дальнейшем распространении происходит его дробление на найденные нами со-литоны (б). Такая динамика наблюдается как в случае циркулярной поляризации поля входного лазерного импульса, так и в случае линейной поляризации. Таким образом, предлагаемая в диссертации схема компрессии позволяет получать лазерные импульсы предельно короткой длительности на суб-миллиджоульном уровне энергии с произвольной поляризацией электрического поля в импульсе без использования внешнего компрессора, что

10' 8

= 2 0

Рис. 1. Компрессия гауссова импульса в капилляре, заполненном смесью газа и плазмы. Длина трассы г приведена в сантиметрах.

невозможно для используемых в настоящее время методов компрессии мощных лазерных импульсов.

В третьей главе численно и экпериментально исследуется трансформация спектра мощного лазерного излучения, распространяющегося в диэлектрических капиллярах с газом низкого давления, в режиме ионизации газа, и исследуется возможность применения ионизационной нелинейности для разработки схемы компрессии лазерных импульсов на уровне энергии свыше 1 мДж. Впервые идея такой схемы обсуждалась в работе [8]. В § 3.1 выполнено детальное численное исследование зависимости ширины спектра, сдвига частоты и частотной зависимости спектральной фазы в выходном лазерном импульсе от его начальной интенсивности, сорта и давления газа. Исследование проводилось в рамках уравнения (3) в условиях одно-модового режима распространенияизлучения в капилляре и предположении, что ионизационная нелинейность играет доминирующую роль в нелинейной динамике поля. Условие одномодового распространения при этом определяется малостью влияния рефракции излучения на плазме, образующейся в результате ионизации газа, на пространственную структуру поля и может быть представлено в виде:

где п - концентрация плазмы, пСГ - критическая плотность, определяемая условием со=сор. Считая условие (7) выполненным, уравнение (3) для амплитуды фундаментальной моды капилляра может быть представлено в виде:

п Уп~ии

псг (¿<а)2

(7)

с &Эг

2 д2Е

с дт

Здесь пренебрежете радиальной зависимостью концентрации плазмы, что приводит к некоторому количественному несоответствию между теоретическими и экспериментальными результатами, но позволяет максимально упростить численный расчет. Это уравнение должно быть дополнено системой уравнений ионизационного баланса, описывающей изменение во времени концентрации нейтральных атомов и ионов с кратностью заряда, определяемой начальной амплитудой поля в лазерном импульсе. Вероятность ионизации в единицу времени рассчитывалась по формуле АДК [9]. Сравнение результатов численного решения (8) с результатами наших экспериментальных исследований показало хорошее качественное, а для некоторых зависимостей и количественное согласие этой грубой модели с экспериментом. Показано, что по длительности сжатого импульса компрессия, близкая к оптимальной, может быть достигнута с использованием квадратичного компрессора, обладающего нормальным законом зависимости дисперсии групповой скорости от частоты и компенсирующего только квадратичные члены в полиномиальном представлении спектральной фазы в выходном импульсе. Для улучшения временной формы скомпрессированного импульса необходима компенсация более высоких слагаемых в представлении спектральной фазы, что может быть достигнуто с использованием широкополосных частотно-модулирующих зеркал.

Во второй части главы, в §3.2 и §3.3, приведены результаты экспериментальных исследований трансформации спектра мощных лазерных импульсов в газонаполненных диэлектрических капиллярах. В §3.2 приведена схема и основные параметры эксперимента. В §3.3 проведено исследование энергетической эффективности прохождения излучения через капилляр, пространственной структуры излучения на выходе капилляра и структуры спектра выходного излучения. Определены зависимости ширины и величины сдвига центра масс спектра от энергии лазерных импульсов, сорта и давления газа. Получено значительное увеличение ширины спектра лазерных импульсов (почти на порядок), сопровождающееся сдвигом центра масс спекгра в коротковолновую область спектра. Показано, что после преодоления ионизационного порога эти величины слабо зависят от изменений интенсивности лазерного излучения. Показано, что в определенном интервале энергий лазерного излучения, определяемом сортом газа и диаметром капилляра, возможно получение больших ширин спектра с хорошей однородностью пространственного распределения спектральной энергии.

-600 -400 -200 0 200 400 600 Время, фс

Рис. 2. Автокорреляционная функция интенсивности входного лазерного импульса (пунктир) и выходного лазерного импульса после компрессии (жирная линия) кварцевой пластиной толщиной Зсм. Полутоновой линией представлен результат идеальной компрессии, рассчитанный с помощью обратного преобразования Фурье спектра выходного импульса. Начальная длительность лазерного импульса составляет 90 фс, энергия 5 мДж. Длительность скомпрессированного импульса составила 35 фс, энергия 2 мДэх.

В §3.4 впервые экспериментально продемонстрирована временная компрессия выходных импульсов в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции в спектре импульса, наведенной нелинейным процессом полевой ионизации газа. При этом компрессия осуществлялась с использованием плоско-параллельной кварцевой пластины толщиной несколько сантиметров (рис.2).

В четвертой главе представлены результаты численного и экспериментального исследования усиления мощных фемтосекувдных лазерных импульсов в капиллярах при обратном рамановском рассеянии в плазме, заполняющей капилляр. Идея усиления и компрессии лазерных импульсов для достижения мультипетаватгного уровня мощности при обратном рамановском рассеянии в плазме была предложена в работе [10]. Однако, величина коэффициента усиления затравочного импульса, полученная в экспериментальных реализациях этой схемы к настоящему времени, весьма низкая и далека от величины, соответствующей переходу в нелинейный режим рассеяния, при котором значительная доля энергии накачки рассеивается в усиливаемый импульс (смотри [11] и ссылки в ней). В работах [12,15*] была предложена существенно иная схема усиления, чем используемая в работе [11]. Численному анализу этой схемы посвящены § 4.1-4.4. В этой схеме для создания протяженной плазмы с высокой степенью пространственной од-

нородности мы использовали газонаполненный диэлектрический капилляр, плазма в котором создается предварительно посылаемым мощным фемто-секундным лазерным импульсом. Второе существенное отличие состоит в том, что импульс накачки и усиливаемый затравочный импульс генерировались одной мощной фемтосекундной лазерной системой. При этом спектры усиливаемого импульса и импульса накачки идентичны друг другу, но импульс накачки имеет частотную модуляцию. Для выполнения условий частотного синхронизма и реализации параметрического процесса взаимодействия волн в таком вырожденном случае концентрация плазмы должна быть достаточно низкой, так что частота плазменных колебаний мала по сравнению с шириной спектра взаимодействующих световых волн.

В §4.1-4.2 приведены результаты экспериментальной реализации предложенной схемы усиления. В §4.1 предложена схема экспериментальной установки и приведены ее основные параметры. В §4.2 приведены результаты измерений энергетического коэффициента усиления и структуры спектра затравочного импульса при различных значениях его энергии входной энергии, энергии импульса накачки и концентрации плазмы. Исследование зависимости коэффициента усиления затравочного импульса от его начальной энергии показало, что, по-ввдимому, эффект опрокидывания плазменной волны действительно играет важную роль в процессе усиления. Влияние этого эффекта на усиление затравочного импульса явилось одной из причин низкого коэффициента преобразования энергии накачки в энергию затравочного импульса. Тем не менее, получено рекордное значение коэффициента усиления по энергии затравочного импульса ~120 в широкополосном режиме усиления, который продемонстрирован впервые, а также по спектральной интенсивности -1000 при узкополосном режиме усиления, когда в спектре затравочного импульса преимущественно усиливается узкий спектральный интервал.

В § 4.3 приведены уравнения обратного рамановского рассеяния волн в плазме для рассматриваемого случая большой ширины спектра лазерных импульсов и частотной модуляции накачки. Эти уравнения имеют вид:

где а(г,[) и ¿(г,/) - комплексные амплитуды огибающих накачки и усиливаемого импульса, Дгд) - амплитуда электрического поля в плазменной волне, 5Дг)- безразмерная плазменная частота с учетом продольной неоднород-

на да _ ,

дЬ дЬ —+— = а/ дг Ш

/и + 8>2рШ = -1Я>'а

(9)

ности концентрации плазмы, 5 - параметр связи волн. Следует отметить, что эти уравнения были, по-видимому, впервые получены в нашей работе [15*] и довольно необычны для уравнений, описывающих рамановское рассеяние. Необычность заключается в использовании полного (неукороченного по частоте плазменных колебаний) уравнения для плазменной волны, что продиктовано отсутствием резонанса на несущих частотах и большой шириной спектра взаимодействующих световых волн.

В § 4.4 расмотрено влияние частотной модуляции накачки и пространственной неоднородности плазмы на величину коэффициента усиления в линейном режиме рассеяния. Определена зависимость коэффициента усиления от временной задержки между накачкой и усиливаемым импульсом.

В § 4.5 показано, что при низкой концентрации плазмы, необходимой для реализации рассеяния в рассматриваемой схеме, большое влияние на величину коэффициента усиления может оказывать эффект опрокидывания плазменной волны. В частности, он приводит к существенному снижению величины усиления затравочного импульса в процессе рассеяния.

В § 4.6 исследованы временные и спектральные характеристики усиленного импульса. Показано, что периодическая модуляция концентрации плазмы, обусловленная малой примесью высших мод в пространственной структуре ионизирующего лазерного импульса, создающего плазму, может оказывать существенное влияние на величину коэффициента усиления и структуру спектра усиленного импульса.

В § 4.7 обсуждается сверхизлучательный механизм усиления, альтернативный механизму вынужденного рамановского рассеяния, который мог реализоваться в условиях нашего эксперимента. К сожалению, полученных экспериментальных данных недостаточно для однозначного исключения этого механизма из рассмотрения при объяснении полученных результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Найден новый класс решений солитонного типа нелинейного волнового уравнения в задаче о самовоздействии мощного лазерного излучения в прозрачных средах с керровской нелинейностью и плазмоподобным законом дисперсии.

2. На основании найденных солитонных решений нелинейного волнового уравнения предложена новая схема компрессии лазерных импульсов на суб-миллиджоульном уровне энергии, позволяющая генерировать лазерное излучение предельно короткой длительности без использования внешнего широкополосного оптического компрессора. При этом компрессия может быть осуществлена как для линейной, так и для циркулярной поляризации электрического поля в световой волне.

3. Предложена упрощенная модель распространения лазерных импульсов в газонаполненных диэлектрических капиллярах в режиме ионизации газа. Продемонстрировано хорошее качественное согласие результатов расчетов, выполненных в рамках этой модели, с экспериментом.

4. Экспериментально получено значительное увеличение ширины спектра лазерных импульсов (почти на порядок) на ионизационной нелинейности в газонаполненных диэлектрических капиллярах, сопровождающееся сдвигом центра масс спектра в коротковолновую область спектра. Показано, что после преодоления ионизационного порога эти величины слабо зависят от изменений интенсивности лазерного излучения.

5. Впервые экспериментально продемонстрирована временная компрессия лазерных импульсов с выхода капилляра в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции в спектре импульсов, наведенной нелинейным процессом полевой ионизации газа.

6. Впервые экспериментально реализована вырожденная схема усиления мощных широкополосных лазерных импульсов при обратном раманов-ском рассеянии в плазме, заполняющей диэлектрический капилляр. Получена рекордно большая величина коэффициента усиления затравочного импульса по энергии и спектральной интенсивности. Продемонстрирована возможность широкополосного усиления.

Цитируемая литература

1. Strickland D., Mourou G.. Compression of amplified chirped optical pulses // Opt. Commun., v.56, p.219,1985.

2. Mourou G.. The ultrahigh-peak power laser: present time and future // Appl. Phys. В v.65, p.205,1997.

3. Bahk S., Rousseau P., Planchon Т., Chvykov V., Kalintchenko G., Mak-simchuk A., Mourou G., and Yanovsky V.. Generation and characterization of the highest laser intensities (1022 W/cm2) // Postdeadline paper in Tech. Digest of CLEO/IQEC 2004, San Francisco, CA, USA, May 16-20,2004.

4. Sartania S., Cheng Z., Lenzner M., Tempea G., Spielmann Ch, Krausz F., Ferencz K. Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate. // Opt. Lett., v.22, №20, p. 1562,1997.

5. Kalachnikov M. P., Karpov V., Schonnagel H., Sandner W. 100 TW titanium-sapphire laser system. // Las. Phys., v. 12, №2, p.368,2002.

6. Dalgarno A. and Kingston A. E.. The refractive indices and Verdet constants of the inert gases. // Proc. Royal Soc. London, Ser. A, v.259, p.424, 1966.

7. Cros В., Courtois C., Matthieussent G., Di Bernardo A., Batani D., An-dreev N., Kuznetsov S. Eigenmodes for capillary tubes with dielectric walls and ultraintense laser pulse guiding. // Phys. Rev. E, v.65,026405,2002.

8. Tempea G. and Brabec T. Nonlinear source for the generation of high-energy few-cycle optical pulses. // Opt. Lett., v.23, №16, p.1286, 1998.

9. Делоне H. Б., Крайнов В. П.. Туннельная и надбарьерная ионизация атомов и ионов в поле лазерного излучения. // УФН, т.168, №5, с. 531, 1998

10. Malkin V. M., Shvets G., and Fisch N. J. Fast compression of laser beams to highly overcritical powers. // Phys. Rev. Lett., v.82, №22, p.4448,1999.

11. Ping Y., Cheng W., and Suckewer S.. Amplification of ultrashort laser pulses by a resonant Raman scheme in a gas-jet plasma. // Phys. Rev. Lett., v.92, №17,175007,2004.

12. Dodin I. Y., Fraiman G. M., Malkin V. M., and Fisch N. J. Raman-backscattering short laser pulses amplification in capillary plasmas. // Препринт ИПФ PAH №577,2001.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Babin A. A., Kartashov D.V., KiselevA.M., Lozhkarev V.V., Ste-panov A.N. Spectrum transformation of high intensity femtosecond laser in gas-filled capillary tubes // Technical Digest of XVII-th Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'2001). Minsk, Belarus, June 26 -July 1,2001.

2. Babin A.A., Kartashov D.V., KiselevA.M., Lozhkarev V.V., Ste-panov A.N. Ionization spectrum transformation of high intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes // Book of Abstracts of 10-th Annual Int. Laser Physics Workshop LPHYS'01. Moscow, July 3-7, 2001. P.85.

3. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M., Stepanov A.N. Ionization frequency blue shift and pulse compression of high intensity femtosecond laser pulses in gas filled capillary tubes // Technical Digest of ITARUS'2001. St. Petersburg, July 8-12, 2001. P.28-31.

4. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M., Stepanov A.N. Ionization frequency blue shift and pulse compression of high intensity femtosecond laser pulses in gas filled capillary tubes // Technical Digest of Ultrafast Optics 2001. Château Montebello, Québec, Canada, July 22-26,2001.

5*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozhkarev V.V., Sergeev A.M^ Stepanov A.N. Ionization spectrum broadening and frequency blue shift of high intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes // Appl. Physics B: Lasers and Optics v.75, N4, pp. 509-514, 2002.

б\ Babui A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Lozbkarev V.V., Sergeev A.M,^ Stepanov A.N. Ionization spectrum transformation of high intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes // Laser Physics, v.12, N10,

^ pp. 1303-130S, 2002.

7*. Бабин A.A., Карташов Д.В., Киселев A.M., Ложкарев B.B., Сергеев А.М., Солодов А.А., Степанов А.Н. Ионизационная трансформация спектра и компрессия мощных фемтосекундных лазерных импульсов в экспериментах по распространению в газонаполненных диэлектрических капиллярах // Письма в ЖЭТФ, т.76, №9, с. 645-649,2002.

8. Babin А.А., Kartashov D.V., Kiselev А.М., Stepanov A.N., Sergeev A.M. Compression of high intensity femtosecond laser pulses due to ionization self-phase modulation in gas-filled capillary tubes // Book of Abstracts of 11th International Laser Physics Workshop LPHYS'02, Bratislava, Slovac Republic, 1-5 July, 2002.

9. Andreev N., Babin A., Kartashov D., Lozhkarev V., Kiselev A, Sergeev A., Stepanov A., Courtois C., Cros В., Matthieussent J., Gorbunov L., Marques J.R,. Guiding of superstrong femtosecond laser pulses through the gas-filled dielectric capillary tubes // Technical Digest of IQEC/LAT 2002, Moscow, June 22-28,2002.

10*. Babin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Stepanov A.N., Sergeev A.M. Compression of high intensity femtosecond laser pulses due to ionization self-phase modulation in gas-filled capillary tubes // Laser Physics, v. 13, ^ N6, p. 1-4, 2003.

11*. Карташов Д.В., Ким A.B., Скобелев С.А. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах: от солитонов огибающей к видео-солитонам // Известия ВУЗов. Радиофизика, T.XLVI, №5-6, с.415-429 , ^ 2003.

12*. Карташов Д.В., Ким А.В., Скобелев С.А. Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах // Письма в ЖЭТФ, т.78, №5, с.722-726, 2003.

13. Babin А.А., Kartashov D.V., Kim A.V., Kiselev A.M., Sergeev A.M., Stepanov A.N. Nonlinear effects at guiding propagation of high intensity femtosecond pulses in gases // Proceedings of International Symposium Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (NWP2003), Nizhny Novgorod, Russia, 6-12 September, 2003, p.163.

14. Kartashov D.V., Skobelev S.A., Kim A.V. New pulse compression technique for few-optical-cycle pulse generation // Book of Abstracts of 12th International Laser Physics Workshop (LPHYS'03), Hamburg, Germany, August 25-29, 2003, p.262.

15. Skobelev S.A., Kartashov D.V., Kim A.V. Few-optical-cycle solitons in nonresonance mediums: dynamics and stability // Book of Abstracts of 12th International Laser Physics Workshop (LPHYS'03), Hamburg, Germany, August 25-29,2003, p.301.

16. Skobelev S.A., Kartashov D.V., Kim A.V. Stability and dynamics of few-optical-cycle solitons in non-resonant media // Proceedings of International Symposium Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (NWP2003), Nizhny Novgorod, Russia, 6-12 September, 2003, p.185.

17*. Балакин A.A., Карташов Д.В., Киселев A.M., Скобелев С.А., Степанов А.Н., Фрайман Г.М. Усиление лазерных импульсов при обратном ра-мановском рассеянии в плазме, создаваемой в диэлектрических капиллярах // Письма в ЖЭТФ, т.80, №1, с.12-16,2004.

18. Balakin A.A., Kartashov D. V., Stepanov A.N., Skobelev S.A., Fraiman G.M. Amplification of femtosecond laser pulses on stimulated Raman back-scattering in capillary plasma // Book of Abstracts of 13th International Laser Physics Workshop (LPHYS'04), Triest, Italy, July 12-16, 2004, p.88.

19. Balakin A.A., Kartashov D.V., Kiselev A.M., Stepanov A.N., Skobelev S.A., Fraiman G.M. Amplification of femtosecond laser pulses on stimulated Raman backscattering in capillary plasma // II International Conference Frontiers of Nonlinear Physics (FNP2004), Nizhny Novgorod - St.-Petersburg - Nizhny Novgorod, July 5-12,2004, p.137-138.

Содержание диссертационной работы

Введение

1. Эволюционное уравнение для электрического поля в импульсе с произвольной шириной спектра, распространяющегося в газонаполненном диэлектрическом капилляре

2. Самовоздействие мощного фемтосекундного лазерного излучения на керровской нелинейности. Волновые структуры в средах с плазменным законом дисперсии

2.1. Редуцированное волновое уравнение для задачи самовоздействия

лазерных импульсов в газе

2.2.Солитоны циркулярно поляризованного поля

2.3.Солитоны линейно поляризованного поля

2.4.Влияние высокочастотной дисперсии на солитоны предельно короткой длительности

2.5.Компрессия лазерных импульсов в режиме аномальной зависимости дисперсии групповой скорости от частоты

Заключение

3. Экспериментальное и теоретическое исследование трансформации спектра и компрессии мощного фемтосекундного лазерного излучения при ионизации газа в газонаполненных диэлектрических капиллярах

3.1.Численное моделирование 3.2.Схема эксперимента

3.3.Эффективность прохождения излучения через капилляр. Пространственная структура интенсивности выходного излучения и структура спектра выходного излучения 3.4.Компрессия выходного излучения при распространении в среде с нормальным законом дисперсии Заключение

4. Экспериментальное н теоретическое исследование усиления мощного фемтосекундного лазерного излучения при обратном рама-новском рассеянии в плазме

4.1. Схема эксперимента

4.2. Результаты эксперимента

4.3.Уравнения обратного рамановского рассеяния в плазме для импульсов с большой шириной спетра и частотной модуляцией

4.4. Линейный режим рассеяния. Влияние частотной модуляции накачки

и пространственной неоднородности плазмы на процесс обратного рамановского рассеяния

4.5.Влияние эффекта опрокидывания плазменной волны на процесс обратного рамановского рассеяния

4.6.Спектральные характеристики усиленного импульса

4.7.06 еще одном возможном механизме усиления мощного лазерного излучения в плазме Заключение

Заключение Литература Приложения

Даниил Валерьевич Карташов

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ГАЗАМИ И ПЛАЗМОЙ В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАПИЛЛЯРАХ

Автореферат

Формат 60x90 '/16. Бумага офссггная №1. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №104 (2004).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

РНБ Русский фонд

2007-4

19813

• [

D

19 НОЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭВОЛЮЦИОННОЕ УРАВНЕНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ПОЛЯ В ИМПУЛЬСЕ С ПРОИЗВОЛЬНОЙ ШИРИНОЙ СПЕКТРА, 14 РАСПРОСТРАНЯЮЩЕГОСЯ В ГАЗОНАПОЛНЕННОМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ КАПИЛЛЯРЕ

ГЛАВА 2. САМОВОЗДЕЙСТВИЕ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО

ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КЕРРОВСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ. ВОЛНОВЫЕ СТРУКТУРЫ В СРЕДА X С ПЛАЗМЕННЫМ

ЗАКОНОМ ДИСПЕРСИИ

§2Л. Редуцированное волновое уравнение для задачи самовоздействия 24 лазерных импульсов в газе.

§ 2.2. Солитоны циркуляр но поляризованного поля

§2.3. Солитоны линейно поляризованного поля.

§ 2.4. Влияние высокочастотной дисперсии на солитоны предельно короткой длительности.

§ 2.5. Компрессия лазерных импульсов в режиме аномальной зависимости 38 дисперсии групповой скорости от частоты.

Создание в середине восьмидесятых годов фемтосекукдных лазерных генераторов и развитие техники усиления частотно-модулированных лазерных импульсов [1, 2] произвело, без преувеличения, революцию не только в лазерной физике, но и в современной физике в целом. Благодаря ультракороткой длительности генерируемого лазерного излучения, при относительно небольшом уровне энергии, содержащейся в лазерном импульсе, стало возможным достигать беспрецендентно больших мощностей лазерных импульсов - тераваттного и петаваттного уровня, и плотностей потока световой энергии - до 1022 Вт/см2 [3]. Напряженности электрического поля, достигаемые при этом в сфокусированном лазерном пучке, оказываются порядка или даже многократно превосходят характерное электрическое поле, определяющее связанное состояние вещества. В результате взаимодействие такого излучения с веществом, вне зависимости от его агрегатного состояния, приводит к образованию плазмы. В процессе дальнейшего взаимодействия образовавшейся в результате ионизации вещества плазмы с излучением, заряженные частицы в сверхсильном лазерном поле могут достигать ультрарелятивистских энергий движения. Поэтому создание тераваттных лазерных комплексов привело к появлению новой области физики - физики сверхсильных оптических полей, которая тесно связана с физикой плазмы и физикой высоких энергий. Взаимодействие сверхмощного лазерного излучения с веществом успешно используется сегодня для решения широкого круга фундаментальных и прикладных проблем физики: создания сверхдальних лидаров и нелинейной спектроскопии атмосферы, когерентных источников излучения в рентгеновском диапазоне длин волн, управляемого термоядерного синтеза, ускорения частиц и формирования высокоэнергичных потоков заряженных частиц и даже лабораторного моделирования астрофизических процессов [2,4].

Одной из ключевых проблем физики сверхсильных полей является проблема генерации, усиления и компрессии ультракоротких лазерных импульсов. На этом пути в настоящее время уже достигнуты значительные успехи. Для генерации фемтосекундных лазерных импульсов предельно короткой длительности разработана схема компрессии, основанная на нелинейной фазовой самомодуляцпи спектра лазерного излучения в газонаполненных диэлектрических: капиллярах, которая компенсируется внешним дисперсионным широкополосным компрессором [5-11]. Эта схема поззоляет получать лазерные импульсы длительностью в единицы оптических периодов на рекордно высоком, при такой малой длительности импульса, суб-миллиджоульном уровне энергии, что соответствует субтераватгной пиковой мощности излучения в импульсе. Недостатком ее является ограничение по энергии компрессируемых импульсов, связанное с полевой ионизацией газа в капилляре. В результате, максимальный уровень энергии в сжатом импульсе составил менее 0.5 мДж [7]. Кроме того, необходимость использования внешнего компрессора, являющегося поляризационно чувствительным элементом, затрудняет получение предельно коротких лазерных импульсов с поляризацией электрического поля, отличной от линейной.

На более высоком уровне мощности - до 100 ТВт - создана фемтосекундная лазерная система с длительностью импульса ~10 фс [12]. Однако продвижение к петаваттному и выше уровню мощностей лазерных импульсов сталкивается с проблемой лучевой стойкости оптических элементов в усилительных каскадах и выходном компрессоре мощных лазерных систем, построенных по традиционной схеме усиления частотно-модулированных лазерных импульсов. Во избежание пробоя оптических элементов в усилительных каскадах лазерных систем петаваттного уровня мощности коэффициент временного растяжения усиливаемого фемтосекундного излучения должен превышать 103. Обратная компрессия усиленного частотно-модулированного лазерного излучения осуществляется с помощью линейного компрессора, созданного на базе диффракционных решеток (одной или двух в зависимости от выбранной схемы). Порог теплового разрушения решеток компрессора определяет максимальную величину плотности потока световой энергии У на уровне 0.1-0.3 Дж/см . При этом под тепловым разрушением понимается даже не модификация поверхности решеток из-за нагрева, связанного с поглощением доли падающего излучения, а, например, связанное с этим поглощением возбуждение интенсивной звуковой волны. В результате для компрессии лазерных импульсов петаваттного уровня мощности необходимы диффракционные решетки площадью более 1000 см2. При этом для достижения максимальной компрессии и хорошего качества временной структуры сжатого импульса решетки на всей эюй площади должны быть высочайшего оптического качества. Например, их плоскостность (степень близости поверхности к идеальной плоскости) должна составлять, в зависимости от длительности, величину не хуже л/30-л/100. Создание подобных диффракционных решеток представляет исключительно сложную техническую задачу, что обуславливает их уникальность и чрезвычайно высокую стоимость. Для преодоления этой трудности в работах [13, 14] была прехтожена идея использования щ для усиления и компрессии фемтосекундных лазерных импульсов до петаваттных и выше уровней мощности параметрического процесса вынужденного обратного рамановского рассеяния в плазме. В этом процессе энергия длинного интенсивного импульса накачки перерассеивается с помощью параметрически возбуждаемых плазменных колебаний в усиливаемый фемтосекундный импульс. Очевидным преимуществом плазмы как нелинейной среды является отсутствие проблемы стойкости и, соответственно, способность поддерживать нелинейное взаимодействие волн на больших уровнях мощности. Первые экспериментальные результаты по реализации такой схемы усиления содержатся в работах [15-18].

В диссертации экспериментально и теоретически исследуются новые схемы комрессии и усиления фемтосекундных лазерных импульсов, основанные на взаимодействии мощного лазерного излучения с газами и плазмой, заполняющими диэлектрический капилляр. Диэлектрические капилляры при этом используются для обеспечения достаточно большой длины взаимодействия излучения с газом или плазмой за счет волноводного режима распространения излучения. Идея использования полых сверхразмерных (диаметр много больше длины волны) диэлектрических волноводов для транспортировки лазерного излучения впервые, по-видимому, обсуждалась в работе [19]. В этой же работе проведен детальный анализ волноводных свойств диэлектрических капилляров. Достоинствами диэлектрических капилляров как квазиоптических волноводов для транспортировки лазерного излучения является высокая эффективность транспортировки (малая величина потерь при достаточно большом диаметре), легкость изготовления и изменения параметров волновода, возможность создания дополнительных структур на стенках волновода (например, гофрировки), меняющих условия взаимодействия излучения с газом или плазмой, относительная простота настройки. В тоже время существует ряд технических проблем при использовании капилляров для транспортировки мощного лазерного излучения. В частности, максимальная мощность, которая может быть транспортирована в данном волноводе, ограничена полевым пробоем стенок. Кроме того, существует проблема образования плазмы на входном торце капилляра вследствие его ионизации входным лазерным пучком. Высокая эффективность использования диэлектрических капилляров в задачах параметрического взаимодействия волн была продемонстрирована в работах [20-22], в задачах генерации высоких оптических гармоник в работах [23-25], транспортировки мощного лазерного излучения в работах [26-30], ускорения частиц и работах [29, 31]. В представляемой диссертации проведено детальное численное и экспериментальное исследование трансформации спектра при распросгранении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в газонаполненных капиллярах в режиме ионизации газа. Первые подобные исследования были выполнены в работе [28]. Полученные результаты использовались для реализации компрессии лазерных импульсов на ионизационном механизме нелинейности. Они представляют так же большой интерес с точки зрения создания высокозарядной протяженной плазмы, которая может использоваться в качестве рабочей среды для лазеров мягкого рентгеновского диапазона длин волн [3239].

Необходимо отметить, что использование диэлектрических капилляров является, конечно, не единственным способом достижения волноводного режима распространения излучения. Другой перспективный способ транспортировки мощного лазерного излучения состоит в использовании в качестве оптических волноводов плазменных каналов, представляющих собой неоднородное в поперечном направлении распределение концентрации плазмы с минимумом плотности на оси. Очевидным достоинством плазменных оптических волноводов является отсутствие проблемы лучевой стойкости и, по-видимому, в задачах транспортировки сверхвысоких мощностей в плазме использование их является одним из лучших способов. Такие плазменные каналы в свободном пространстве могут создаваться при ионизации газа мощным лазерным импульсом [40-45] или релятивистской самофокусировке в плазме предварительно посланного мощного лазерного импульса

46, 47] вследствие гидродинамического разлета заряженных частиц, вытесняемых из лриосевой области пондермоторным потенциалом лазерного ¿юля. Довольно высокая эффективность транспортировки лазерного излучения тераваттного уровня мощности и достигнутый с использованием плазменных волноводов прогресс в задачах ускорения частиц продемонстрирован, например, в теоретических работах [46, 48-50] и экспериментах [45, 51]. Плазменные волноводы могут создаваться так же с помощью емкостного разряда в газонаполненных диэлектрических капиллярах [52-54] или абляцией стенок капилляра емкостным разрядом [55-60]. Основными недостатками плазменных каналов как волноводов является низкая величина контраста показателя преломления (отношение показателей преломления на оси и на «стенке» волновода), составляющая несколько процентов, а так же возможность развития разного вида неустойчивостей при распространении мощного излучения в таком канале.

В заключении отметим, что наряду с возможностью достижения сверхвысоких уровней мощности, генерация интенсивных ультракоротких лазерных импульсов открывает новую область физики - физики взаимодействия лазерного излучения предельно короткой длительности с веществом. Взаимодействие с веществом высокоинтенсивных суб-100фс лазерных импульсов имеет ряд принципиальных отличий от взаимодействия с веществом лазерных импульсов пикосекундной и большей длительности. Одним из ярких примеров этого и, одновременно, одним из важных приложений для использования сверхсильных ультракоротких лазерных импульсов, служит генерация когерентных аттосекундных импульсов излучения мягкого рентгеновского диапазона длин волн на эффекте возбуждения высоких оптическж гармоник в разреженных газах [61]. В теоретических работах [61-66] было показано, что при взаимодействии мощных лазерных импульсов длительностью вплоть до единиц оптических колебаний с разреженными газами проявляется ряд новых физических эффектов - зависимость эффективности генерации высоких оптических гармоник от фазы колебаний электрического поля в импульсе, неадиабатичность поляризационного отклика атомник электронов в процессе ионизации, нелинейные эффекты фазового согл.и\>!;а;шя ионизирующего импульса и высоких оптических гармоник при распространен-:» в газе и т.д. Проявление *л лх -эффектов и их существенное влияние на эффективность генерации высоких оптических ' гармоник было продемонстрировано в экспериментах ¡67-70'.

Диссертация состоит лз четырех глс.л, заключения, списка литературы и двух приложений. Кс-.ждой глазе предпослано небольшое вступление, в котором формулируется постановка задачи. В заключении к главам сформулированы основные результаты, полученные в диссертации. Материал диссертации изложен на 151 станицах, включая 45 рисунков. 3 таблицы и 121 литературных ссылок. Первая глава имеет вспомагательный характер. В ней сформулирована общая модель распространения мошных фемтосекундных лазерных импульсов в газонаполненных капиллярах с учетом различных механизмов нелинейного взаимодействия излучения с газом.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию компрессии фемтосекундных лазерных импульсов суб-миллиджоульной энергии за счет солитонного механизма самосжатия лазерных импульсов в диэлектрических капиллярах, заполненных газо-плазменной смесью. Показано, что в результате компрессии возможно получение лазерных импульсов длительностью около одного оптического периода. При этом динамика сжатия определяется новым классом солитонных решений нелинейного волнового уравнения, впервые найденным в нашей работе [71,72]. Преимуществом такой схемы компрессии является отсутсвие необходимости использования внешнего компрессора и возможность генерации лазерных импульсов предельно короткой длительности с произвольной поляризацией электрического поля. Максимальный уровень энергии, достижимый в предлагаемой схеме, ограничен оптическим пробоем газа в волноводе.

Третья глава посвящена численному исследованию и экспериментальной реализации схемы компрессии фемтосекундных лазерных импульсов миллиджоульного уровня энергии, основанной на ионизационном механизме нелинейной фазовой самомодуляции мошных лазерных импульсов в капиллярах с газом низкого давления. Идея такой схемы компрессии впервые предлагалась в работе [73]. Эта схема требует применения внешнего компрессора, однако, как показано в диссертации, временное сжатие импульса до минимальной длительности может быть осуществлено с использованием кзадраткчного • компрессора, обладающего нормальным законом зависимости дисперсии групповой скорости от частоты. В частности, в эксперименте, представленном в диссертации, в качестве компрессора использовалась плоскопараллельная кварцевая пластина, позволившая сократить длительность выходного импульса в несколько раз.

В четвертой главе представлены результаты численного и экспериментального исследования усиления мощных фемтосекундных лазерных импульсов в капиллярах при вынужденном обратном рамановском рассеянии в плазме, заполняющей капилляр. Идея усиления и компрессии лазерных импульсов для достижения мультипетаваттного уровня мощности при обратном рамановском рассеянии в плазме была предложена в работе [13]. Однако, величина коэффициента усиления затравочного импульса, полученная в эксп ериментальных реализациях этой схемы к настоящему времени, весьма низкая и далека от величины, соответствующей переходу в нелинейный режим рассеяния, при котором значительная доля энергии накачки рассеивается в усиливаемый импульс [15-18]. В работах [74,75] была предложена существенно иная схема усиления, чем используемая в работах [15-18]. В этой схеме для создания протяженной плазмы с высокой степенью пространственной однородности мы использовали газонаполненный диэлектрический капилляр, плазма в котором создается предварительно посылаемым мощным фемтосекундным лазерным импульсом. Второе существенное отличие состоит в том, что импульс накачки и усиливаемый затравочный импульс генерировались одной мощной фем тосекундной лазерной системой. При этом спектры усиливаемого импульса и импульса накачки идентичны друг другу, но импульс накачки имеет частотную модуляцию. Для выполнения условий частотного синхронизма и реализации параметрического процесса взаимодействия волн в таком вырожденном случае концентрация плазмы должна быть достаточно низкой, так что частота плазменных колебаний мала по сравнению с шириной спектра взаимодействующих световых волн. С использованием этой схемы в эксперименте, представленном в диссертации, были получены рекордно высокие коэффициенты усиления фемтосекундного импульса по энергии и по спектральной интенсивности, и продемонстрирована возможность широкополосного усиления.

В заключении сформулированы основные результаты работы. Диссертацию дополняют два приложения, в которых рассмотрены волномодные характеристики диэлектричес:<их капилляров и приведен вывод ура? ненил обратного рамачо?,ского рассеяния в плазме для вырожденного взаимодействия широкополосных лазерных импульсов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В средах с волноводным законом дисперсии и кубичной безынерционной нелинейностью показателя преломления существует новый класс солитонных решений нелинейного волнового уравнения, являющихся продолжением известных солитонных решений эволюционного уравнения для огибающей электрического поля в лазерном импульсе в область предельно коротких длительностей. Существование этих решений позволяет предложить схему компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей на суб-миллиджоульном уровне энергии с произвольной поляризацией вектора электрического поля в импульсе.

2. С использованием ионизационной нелинейности возможно создание схемы компрессии мощных фемтосекундных лазерных импульсов на миллиджоулыюм уровне энергии.

3. Вырожденная схема усиления фемтосекундных лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме с использованием газонаполненных диэлектрических капилляров позволяет достичь больших величин коэффициента усиления.

Научная новизна результатов состоит в следующем:

1. Аналитически найден новый класс устойчивых солитонных решений нелинейного волнового уравнения с нелинейностью керровского типа и волноводным законом дисперсии.

2. Предложена новая схема компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей с использованием найденных солитонных решений нелинейного волнового уравнения.

3. Экспериментально определены зависимости спектральных характеристик мощного лазерного излучения, распространяющегося в газонаполненном диэлектрическом капилляре в режиме ионизации газа, от параметров лазерного излучения, сорта и давления газа. Предложена простая модель ионизационной динамики мощных лазерных импульсов л газонаполненных диэлектрических капиллярах, позволившая получить хорошее качественное согласие результатов численного моделирования с экспериментом.

4. Экспериментально получена временная компрессия мощных фемтосекундных лазерных импульсов, прошедших через газонаполненный диэлектрический капилляр в режиме ионизации газа, с помощью простейшего внешнего компрессора - плоскопараллельной кварцевой пластины, - обладающего нормальной дисперсией групповой скорости.

5. Экспериментально реализована вырожденная схема усиления фемтосекундных лазерных импульсов на эффекте обратного рамановского рассеяния в плазме, создаваемой в газонаполненных диэлектрических капиллярах мощным предварительным лазерным импульсом. Получены рекордные значения коэффициента усиления затравочного импульса и продемонстрирована возможность широкополосного усиления.

При выполнении работ соискатель принимал участие в постановке и проведении экспериментов, численном моделировании результатов экспериментов, обработке и обсуждении результатов. По второй главе диссертации, результаты которой опубликованы в работах [71/72], соискателем была выполнена постановка задачи, предложена идея компрессии лазерных импульсов до предельно коротких длительностей в капиллярах, заполненных газо-плазменной смесью. Под его руководством выполнено численное моделирование и определены основные характеристики предложенной схемы компрессии. Соискатель является полноправным соавтором аналитических решений, найденных и исследованных в совместных работах [71,72]. По третьей главе диссертации, результаты которой опубликованы в работах [82,99,100], соискателем разработана модель распространения мощных лазерных импульсов в газонаполненных диэлектрических капиллярах в режиме ионизации газа, выполнено численное моделирование планируемого эксперимента и определены основные зависимости характеристик лазерных импульсов на выходе капилляра от их начальных параметров. Эти результаты были использованы при разработке схемы и выборе параметров эксперимента. В ходе проведения экспериментальных исследований, соискатель принимал самое активное участие в разработке схемы эксперимента, его проведении и обработке результатов. По четвертой главе, результаты которой опубликованы в работе |75J, соискатель принимал участие в разработке теоретической модели вырожденного обратного рамановсхого рассеяния широкополосных лазерных импульсов в плазме. В рамках этой модели соискателем выполнено численное моделирование планируемого эксперимента, результаты которого были использованы при разработке схемы и выборе параметров эксперимента. В ходе проведения экспериментальных исследований, соискатель принимал самое активное участие в разработке схемы эксперимента, его проведении и обработке результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим согласием выполненных в работе численных расчетов с результатами экспериментов и соответствием полученных в диссертации теоретических и экспериментальных результатов с известными результатами, полученным другими авторами.

Практическая ценность результатов состоит в том, что предложенные в работе новые методы компрессии и усиления мощных фемтосекундных лазерных импульсов открывают дорогу для создания фемтосекундных лазерных систем тераватгного и петаваттного уровня мощности сверхкороткой длительности.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике ICONO'2001 (Минск, Беларусь, 2001 г.), Ежегодном международном совещании по лазерной физике LPHYS (Москва, Россия, 2001 г.; Братислава, Словакия, 2002; Гамбург, Германия, 2003 г.; Триест, Италия, 2004 г.), Международном российско-итальянском совещании по лазерной физике ITARUS'2001 (Санкт-Петербург, 2001), Международной научной конференции Ultrafast Optics 2001 (Château Montebello, Québec, Canada, 2001 г.), Международной конференции IQEC/LAT 2002 (Москва, 2002 г.), Международном симпозиуме Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (Нижний Новгород, 2003), и опубликованы в реферируемых изданиях в работах [71,72,75,82,99,100].

Заключение

В заключении сформулируем основные результаты, полученные в диссертации.

При рассмотрении задачи самовоздействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов на керровском механизме нелинейности в средах с плазменным законом дисперсии:

1. Найден новый класс решений солитонного типа нелинейного волнового уравнения в задаче о самовоздействии мощного лазерного излучения в прозрачных средах с керровской нелинейностью и ллазмоподобным законом дисперсии.

2. На основании найденных солитонных решений нелинейного волнового уравнения, предложена новая схема компрессии лазерных импульсов на суб-миллиджоульном уровне энергии, позволяющая генерировать лазерное излучение предельно короткой длительности без использования внешнего широкополосного оптического компрессора. При этом компрессия может быть осуществлена как для линейной поляризации электрического поля в световой волне, так и для циркулярной поляризации.

При рассмотрении задачи самовоздействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов на ионизационном механизме нелинейности:

3. Предложена упрощенная модель распространения лазерных импульсов в газонаполненных диэлектрических капиллярах в режиме ионизации газа. Показано хорошее качественное согласие результатов расчетов, выполненных в рамках этой модели, с экспериментом.

4. Экспериментально получено значительное увеличение ширины спектра лазерных импульсов (вплоть до порядка) на ионизационной нелинейности в газонаполненных диэлектрических капиллярах, сопровождающееся сдвигом центра масс спектра в коротковолновую область спектра. Показано, что после преодоления некоторого ионизационного порога эти величины слабо зависят от изменений интенсивности лазерного излучения.

5. Впервые экспериментально продемонстрирована временная компрессия лазерных импульсов с выхода капилляра в несколько раз за счет компенсации фазовой модуляции в спектре импульсов, наведенной нелинейным процессом полевой ионисации газа.

При рассмотрении параметрического процесса усиления фемтосекундных лазерных импульсов на эффекте обратного рамановского рассеяния в плазме, запол 11яю щей кап илляр:

6. Впервые экспериментально реализована одночастотная схема усиления мощных лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме, заполняющей диэлектрический капилляр. Получена рекордно большая величина коэффициента усиления затравочного импульса по энергии и спектральной интенсивности. Продемонстрирована возможность широкополосного усиления.

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для создания мощных фемтосекундных лазерных систем с ультракороткой длительностью лазерных импульсов.

Автор выражает глубокую признательность научным руководителям А. А. Бабину и А. М. Сергееву за руководство работой и плодотворные дискуссии как в ходе выполнения исследований, приведенных в диссертации, так и в ходе подготовки материалов диссертации. Автор пользуется случаем поблагодарить так же сотрудников ИПФ РАН, принимавших участие в проведении исследований и помогавших их осуществлению.

1. D. Strickland. G. Mourou. Compression of amplified chirped optical pulses. // Opt.

2. Commun. V.56, p.219, 1985.

3. G. Mourou. The ultrahigh-peak power laser: present time and future. // Appl. Phys. Вv.65, p.205, 1997.

4. S.-W. Bahk, V. Chvykov, G. Kalintchenko, A. Maksimchuk, G. A. Mourou, N. Saleh, and

5. D. P. Umstadter, C. Barty, M. Perry, and G. A. Mourou. Tabletop, ultrahigh-intensitylasers: dawn of nonlinear relativistic optics. // Optics and Photonics News v.9, №7, p.41,1998.

6. M. Nisoli, S. De Silvestri, and O. Svelto. Generation of high energy 10 fs pulses by a newpulse compression technique. // Appl. Phys. Lett, v.68, №20, p.2793, 1996.

7. M. Nisoli, S. De Silvestri, O. Svelto, R. Szipocs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, S. Sartania,

8. F. Krausz. Compression of high-energy laser pulses below 5 fs. // Opt. Lett, v.22, №8, p.522, 1997.

9. S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, G. Tempea, Ch. Spielmann, F. Krausz, K. Ferencz.

10. Generation of 0.1-TW 5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate. // Opt. Lett, v.22, №20, p. 1562, 1997.

11. O. Duhr, E. T. J. Nibbering, G. Korn, G. Tempea, and F. Krausz. Generation of intense 8ac pulses at 400 nm. // Opt. Lett, v.24, №1, p.34, 1999.

12. N. Karasawa, R. Morita, L. Xu, H. Shigekawa, M. Yamashiu-. ory of ultrabroadbandoptical pulse generation by induced phse modulation in a gas-filled hollow waveguide. //J. C;, . Soc. Am. В v.16, №4, p.662, 1999.

13. N. Kara.sa.va, R. Morita, H. Shigekawa, M. Yamashita. Generation of intense uluabroadband optical pulses by induced phase modulation in an argon-filled singlemode hollow waveguide. // Opt. Lett. v.25, №3, p. 183, 2000.

14. A. V. Husakou, V. P. Kaiosha, and f. Herrmann. Supercontinuuni generation and pulse compression in hollow waveguides. // Opt. Lett. v.26, №13, p. 1022, 2001.

15. M. P. Kalachnikov, P. V. Nickles, H. Schonnagel, W. Sandner. On the way to 100 TW

16. Hz titanium-sapphire laser facilities. // Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Research A. 472, p.254, 2001; M. P. Kalachnikov, V. Karpov, H. Schonnagel, W. Sandner. 100 TW titanium-sapphire laser system. H Las. Phys. v. 12, №2, p.368, 2002.

17. V. M. Malkin, G. Shvets, and N. J. Fisch. Fast compression of laser beams to highly overcritical powers. // Phys. Rev. Lett, v.82, №22, p.4448, 1999.

18. V. M. Malkin, Yu. A. Tsidulko, and N. J. Fisch. Stimulated Raman scattering of rapidly amplified short laser pulses. // Phys. Rev. Lett, v.85, №19, p.4068, 2000.

19. Y. Ping, I. Geltner, N. J. Fisch, G. Shvets, and S. Suckewer. Demonstration of ultrashort laser pulse amplification in plasmas by a counterpropagating pumping beam. // Phys. Rev. E v.62, №4, p.R4532, 2000.

20. Y. Ping, I. Geltner, A. Morozov, N. J. Fisch, and S. Suckewer. Raman amplification of ultrashort laser pulses in microcapillary plasmas. // Phys. Rev. E v.66, 046401, 2002.

21. Y. Ping, I. Geltner, and S. Suckewer. Raman backscattering and amplification in a gas jet plasma. // Phys. Rev. E v.67, 016401, 2003.

22. Y. Ping, W. Cheng, and S. Suckewer. Amplification of ultrashort laser pulses by a resonant Raman scheme in a gas-jet plasma. // Phys. Rev. Lett, v.92, №17, 175007, 2004.

23. E. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. // Bell Syst. Tech. J. v.43, p. 1783, 1964.

24. C. G. Durfee III, S. Backus, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn. Ultrabroadband phase-matched optical parametric generation in the ultraviolet by use of guided waves. // Opt. Lett, v.22, №20, p. 1565, 1997.

25. L. Misoguti, S. Backus, C. G. Durfee, R. Barrels, M. M. Mui;utv, and H. C. Kapteyn. Generation of broadband VLrV light using third-order cascaded processes. // Phys. Rev. L-tt. v.87, X-K 013501, 200:.

26. Y. Tamaki, Y. Nagata, М. Obara, and К. Midorikawa. Phase-matched high-order-harmonic generation in a gas-filled hollow fiber. /7 Phys. Rev. A v.59, №5, p.4041, 1999.

27. C. G. Durfee III, A. R. Rundquist, S. Backus, C. Heme, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn. Phase matching of high-order harmonics in hollow waveguides. // Phys. Rev. Lett, v.83, №11, p.2187, 1999.

28. A. Paul, R. A. Bartels, R. Tobey, H. Green, S. Weiman, I. P. Christov, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, and S. Backus. Quasi-phase-matched generation of coherent extreme-ultraviolet light. //Nature v.421, p.51, 2003.

29. S. Jackel, R. Burris, J. Grun, A. Ting, C. Manka, K. Evans, and J. Kosakowskii.

30. Channeling of terawatt laser pulses by use of hollow waveguides. // Opt. Leu. v.20, Xl'IO, p. 1086, 1995.

31. B. Cros, C. Courtois, G. Malka, G. Matthieussent, J. R. Marques, F. Dorchies, G.

32. Hamoniaux, N. Blanchor. and J. L. Miquel. Extending plasma accelerators: guiding with capillar}' tubes. ,V IEEE irans. on Plasma Science, v.28. p. 1071, 2000.

33. C. Courtois, A. Couairc; ' A. Cros, J. R. Marques, G. Matthieussent. Propagation of intense ultrashort laser pulses in a plasma filled capillary tube: simulations and experiments. // Phys. of Plasmas, v.8, №7, p.3445, 2001.

34. Y. Kitagawa, Y. Sentoku, S. Akamatsu, W. Sakamoto, and R. Kodama. Electron acceleration in an ultraintense-laser-illuminated capillary. // Phys. Rev. Lett, v.92, №20, 205002, 2004.

35. D. V. Korobkin, C. H. Nam, S. Suckevver, and A. Goltsov. Demonstration of soft X-ray lasing to ground stete in Li III. // Phys. Rev. Lett. v.11, №26, p.5206, 1996.

36. D. Korobkin, A. Goltsov, A. Morozov, and S. Suckewer. Soft X-ray amplification at 26.2 nm with 1-Hz repetition rate in a table-top system. // Phys. Rev. Lett, v.81, №8, p.1607, 1998.

37. C. D. Macchietto, B. R. Benware, and J. J. Rocca. Generation of millijoul-level soft-X-ray laser pulses at a 4-Hz repetition rate in a highly saturated tabletop capillary discharge amplifier. // Opt. Lett, v.24, №16, p.l 115, 1999.

38. J. J. Gonzales, M. Frati, J. J. Rocca? V. N. Shlyaptsev, and A. L. Osterheld. High-power-density capillary discharge plasma columns for shorter wavelength discharge-pumped soft-X-ray lasers. // Phys. Rev. E v.65, 026404, 2002.

39. B. E. Lemoff, C. P. Barty, and S. E. Harris. Femtosecond-pulse-driven, electron excited XUV lasers in eight-times-ionized noble gases. // Opt. Lett. v. 19, №8, p.569, 1994.

40. S. M. Hooker and S. E. Harris. Femtosecond-pulse-driven electron excitcd extreme-ultraviolet lasers in Be-like ions. // Opt. Lett, v.20, №19, p. 1994, 1995.

41. B. E. Lemoff, G. Y. Yin, C. L. Gordon III, C. P. J. Barty, and S. E. Harris. Demonstration of a 10-Hz femtosecond-pulse-driven XUV laser at 41.8 nm in Xe IX. // Phys. Rev. Lett, v.74, p. 1574, 1995.

42. C. G. Durfee III, and H. M. Miichberg. Light pipe for .high intensity laser pulses. // Phvs. Rev. Lett. v.71,p.2409, 1993.

43. C. G. Durfee IIL J. Lynch, and H. M. Miichberg. Mode properties of a plasma waveguide for intense laser pulses. //Opt. Leu. v. 19. p. 1937. 199-1.

44. C. G. Durfee III, J. Lynch, and H. M. Miichberg. Development of a plasma waveguide for hogh intensity laser pulses. // Phys. Rev. E v.51, p.2368. 1995.

45. H. M. Miichberg , T. R. Clark, C. G. Durfee IIL T. M. Antonsen, and P. Mora. Development and applications of a plasma waveguided for intense laser pulses. // Phys. Plasmas v.3,p.2149, 1996.

46. T. R. Clark, and H. M. Miichberg. Time- and space-resolved density evolution of the plasma waveguide. // Phys. Rev. Lett, v.78, p.2773, 1997.

47. S. P. Nikitin, I. Alexeev, J. Fan, and H. M. Miichberg. High efficiency coupling and guiding of intense femtosecond laser pulses in preformed plasma channels in an elongated gas jet. // Phys. Rev. Lett, v.78, p.2773, 1S97.

48. P. Sprangle, E. Esarey, J, Krall, and G. Joyce. Propagation and guiding of intense laser pulses in plasmas. // Phys. Rev. Lett, v.69, №15, p.2200, 1992.

49. K. Krushelnick, A. Ting, C. I. Moore, H. R. Bums, E. Esarey, P. Sprangle, and M Baine. Plasma channel formation and guiding during high intensity short pulse laser plasma experiment. // Phys. Rev. Lett, v.78, p.4047, 1997.

50. T. C. Chiou, T. Katsouleas, C. Decker, W. B. Mori, J. S. Wurtele, G. Shvets, and J. J. Su. Laser wake-field acceleration and optical guiding in a hollow plasma channel. // Phys. Plasmas v.2,p.310, 1995.

51. P. Volfbeyn, P. B. Lee, J. Wurtele, W. P. Leemans, and G. Shvets. Driving laser pulse evolution in a hollow channel laser wakefield accelerator. // Phys. Plasmas v.4, p.3403, 1997.

52. G. Shvets, and X. Li. Theory of laser wakes in plasma channels. // Phys. Plasmas v.6, p.591, 1999.

53. С. Gahn. G. D. Tsakiris, A. Pukhov, J. Meyer-ter-Vehn, Cj. Pretzler. P. Thirolf. D. Habs, and K. J. Witte. Multi-Mev electron bearr generation by dLect laser acceleration in . high-density plasma channels.!' Phys. Rev. Lett. v.33. p.4772, 1999.

54. D. J. Spence and 3. M. Hooker. Investigation of a hydrogen plasma waveguide. // Phys. Re-v.Ev.63, p.015401-1, 2000.

55. T. Hosokai, M. Kando, H. Dewa, H. Kotaki, S. Kondo. N. Hasegava, K. Nakajima, and K. Horioka. Optical guidance of terawan laser pulses by the implosion phase of a fast Z* pinch discharge in a gas-filled capillary. // Opt. Lett, v.25, №1, p. 10, 2000.

56. N. A. Bobrova, A. A. Esaulov, J.-I. Sakai, P. V. Sasorov, D. J. Spence, A. Butler, S. M. Hooker, and S. V. Bulanov. Simulations of a hydrogen-filled capillary discharge waveguide. //Phys. Rev. E v.65, 016407, 2001.

57. Y. Ehrlich, C. Cohen, A. Zigler, J. Krall, P. Sprangle, and E. Esarev. Guiding of high intensity laser pulses in straight and curved plasma channel experiments. // Phys. Rev. Lett, v.77, №20, p.4186, 1996.

58. D. J. Spence, P. D. S. Burnett, and S. M. Hooker. Measurement of the electron-density profile in a discharge-ablated capillary waveguide. // Opt. Lett, v.24, №14, p.993, 1999.

59. H. А. Боброва, С. В. Буланов, А. А. Есаулов, и П. В. Сасоров. Капиллярные разряды для каналирования лазерных импульсов. // Динамика Плазмы т.26, №1, с. 12, 2000.

60. S. М. Hooker, D. J. Spence, and R. A. Smith. Guiding of high-intensity picosecond laser ^ pulses in a discharge-ablated capillar)' waveguide. // J. Opt. Soc. Am. В v. 17, №1, p.90,2000.

61. Т. Brabec and F. Krausz. Intense few-optica-cycle laser fields: frontier of nonlinear science. //Rv. of Modem Fhys. v.72, Ш, p.545, 2000.

62. C. Kan, N. H. Burnett, С. E. Canjack, and R. Rankin. Coherent XUV generation from gases ionized by several cycle optical pulses. // Phys. Rev. Lett. v.79, p.2971, 1997.

63. K. J. Schafer and К. C. Kulander. High harmonic generation from ultrafast pump laser. // Phys. Rev. Lett, v.78, p.638, 1997.

64. A. de Bohan, P. Antoine, D. Milosevic, and B. Piraux. Phase dependent harmonic emission with ultrashort laser pulses. // Phys. Rev. Lett. v.81, p. 1837, 1998.

65. А. В. Ким, M. Ю. Рябикин, A. M. Сергеев. От фемтосекундных к аттосекундным импульсам. // УФН т.169, №1, с.58, 1999.

66. G. Tempea, М. Geissler, and Т. Brabec. Phase sensitivity of high-order harmonic generation with few-cycle laser pulses. J. Opt. Soc. Am. B. v.16, №4, p.669, 1999.

67. I. P. Christov, J. Zhou, J. peatross, A. Rundquist, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn. Nonadiabatic effects in high-harmonic generation with ultrashort pulses. // Phys. Rev. Lett. v.77, p. 1743, 1996.

68. G. Tempea, M. Geissler, M. Schnurer, and T. Brabec. Self-phase-matched high harmonic generation. // Phys. Rev. Lett, v.84, p.4329, 2000.

69. M. Geissler, G. Tempea, and T. Brabec. Phase-matched high-order harmonic generation in nonadiabatic limit. //Phys. Rev. A v.62, 033817, 2000.

70. E. Seres, J. Seres, F. Krausz, and C. Spielmann. Generation of coherent soft-X-ray radiation extending far beyond the titanium L edge. // Phys. Rev. Lett, v.92, 163002, 2004.

71. Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев. Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах. // Письма в ЖЭТФ. т.78, №5, с.722, 2003.

72. Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах: от солитонов огибающей к видеосолитонам. // Изв. ВУЗов Радиофизика, t.XLV1, №5, с.415, 2003.

73. G. Tempea and Г. Bnbec. Nonlinear source for the generation of hi.qh-energy few-cycle optical pulses. /.' Opt. Lett v.23, №16. p. 1286, 1998.

74. I. Y. Dodin, G. j Л. Fraiman, V. M. Malkin. and N. J. Fisch. Raman backscaticring shon laser pulses amplification in capillar)' plasmas. // Препринт ИПФ РАН .N2577. 2001.

75. А. А. Балакин, Д. В. Карташов, А. М. Киселев. С. А. Скобелев, А. Н. Степанов, Г. М. Фрайман. Усиление лазерных импульсов при обратном рамановском рассеянии в плазме, создаваемой в диэлектрических капиллярах. /'/ Письма в ЖЭТФт.80,№1,с.15,2004.

76. A. Dalgarno and А. Е. Kingston. The refractive indices and Verdet constants of the inert gases. // Proc. Royal Soc. London, Ser. A, v.259, p.424, 1966.

77. С. H. Власов, В. И. Таланов. Самофокусировка волн. // Институт: прикладной физики РАН, Нижний Новгород, 220 е., 1997.

78. JI. В. Келдыш. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны. // ЖЭТФ т.47, №5(11), с. 1945, 1964.

79. Н. Б. Делоне, В. П. Крайнов. Туннельная и надбарьерная ионизация атомов и ионов в поле лазерного излучения. // УФН т. 168, №5, с. 531, 1998.

80. М. Geissler, G. Tempea, A. Scrinzi, М. Shnurer, F. Krausz, and Т. Brabec. Light propagation in field-ionizing media: extreme nonlinear optics. // Phys. Rev. Lett, v.83, №15, p.2930, 1999.

81. I. P. Chrstov. Phase-dependent loss due to nonadiabatic ionization by sub-10-fs pulses. //Opt. Lett, v.24, №20, p. 1425, 1999.

82. H. E. Андреев, M. E. Вейсмьн, С. П. Гореславский, М. В. Чоготов. Остаточные импульс и энергия электрона в газе, ионизуемом мощным коротким лазерным импульсом. // Физика плазмы, т.27, №45 с.296, 2001.

83. G. Tempea and Т. Brabec. Theory of self-focusing in a hollow waveguide. // Opt. Lett. v.23, №10, p.762, 1998.

84. A. V. Kochetov, A. G. Litvak, V. A. Mironov, and E. M. Sher. Transformation of electromagnetic beams into surface waves on nonlinear interface. // Physica D v.87, p.342, 1995.

85. T. Brabec, F. Krausz. Nonlinear optical pulse propagation in the single-cycle regime. // Phys. Rev. Lett, v.78, №17, p.3282, 1997.

86. A. Nazarkin, G. Korn. Pulse self-compression in the subcarrier cycle regime. // Phys. Rev. Lett, v.83, p.4748, 1999.

87. Проблемы когерентной и нелинейной оптики. // Сборник статей под ред. И. П. Гурова и С. А. Козлова, Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и огггики, 2000.

88. Громов Е. М., Таланов В. И. Волны, описываемые высшими приближениями нелинейного уравнения Шредингера. // Изв. ВУЗов Радиофизика, T.XLI, №2, с.222, 1998.

89. С. А. Козлов, С. В. Сазонов. Нелинейное распространение импульсов длительностью в несколько колебаний светового поля в диэлектрических средах. // ЖЭТФ т. 111, №2, с.404, 1997.

90. C-M. Chen and P. L. Keiley. Nonlinear pulse compression in optica! fibers: scaling laws and numerical analysis. // J. Opt. Soc. Am. v.19, №9, p.1961, 2002.

91. L. F. Mollenvmer, R. H. Stolen, J. P. Gordon, and W. J. Tomlinson. Extreme picosecond pulse narrowing by means of soliton effect in single-mode opiical fibers. /7 Opt. Lett. v.8, p.289J983.

92. H. L. Lehmeier, W. Leupacher, and A. Penzkofer. Nonresonant third order hyperpolarizability of rare gases and N2 determined by third harmonic generation. U Opt. Commun. v.56, №1, p.67, 1985.

93. В. Б. Гильденбург, А. В. Ким, A. M. Сергеев. О возможности сильного повышения частоты ионизирующего лазерного импульса в газе. // Письма в ЖЭТФ т.51, №2, с.91, 1990.

94. V. В. Gildenburg, А. V. Kim, V. A. Krupnov, V. Е. Semenov, А. М. Sergeev, and N. А. Zharova. Adiabatic frequency up-conversion of a powerful electromagnetic pulse producing gas ionization. // IEEE Trans, on Plasma Science, v.21, №1, p.34, 1993.

95. W. M. Wood, C. W. Siders, and M. C. Downer. Measurement of femtosecond ionization dynamics of atmospheric density gases by spectral blueshiffing. // Phys. Rev. Lett., v.67, №25, p.3523, 1991.

96. A. A. Babin, D. V. Kartashov, A. M. Kiselev, V. V. Lozhkarev, A. N. Stepanov, and A. M, Sergeev. Ionization spectrum transformation of high-intensity femtosecond laser pul:;es in gas-filled capillary tubes. // Laser Phys. v.12, №10, p.1303, 2002.

97. S. Augst, D. D. Meyerhofcr, D. Strickland, and S. L. Chin. Laser ionization of noble gases by Coulomb-barrier suppression. // J. Opt. Soc Am. B. v.8, №4, p.858, 1991.

98. J. Janszky, G. Corradi, and R. N. Gyuzaiian. On a possibility of analyzing the temporal characteristics of short laser pulser,. // Opt. Comman. v.23, №3, p.293, 1977.

99. А. А. Бабин, A. M. Киселев, A. M. Сергеев, A. H. Степанов. Тераваттный фемтосекундный титан-сапфировый лазерный комплекс. // Квант. Электр, т.31, №7, с.623, 2001.

100. D. J. Kane, A. J. Taylor, R. Trebino and К. W. DeLong. Single-shot measurement of the intensity and phase of femtosecond UV lser pulse with frequency-resolved optical gating.//Opt. Lett, v.19, №14, p.1061, 1994.

101. K. W. DeLong, R. Trebino, J. Hunter, and W. E. White. Frequency-resolved optical gating with the use of second-harmonic generation. // J. Opt. Soc. Am. B. v.ll, №11, p.2206, 1994.

102. C. Iaconis and I. A. Walmsley. Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses. // Opt. Lett, v.23, №10, p.792, 1998.

103. L. Gailmann, G. Steinmeyer, D. H. Sutter, T. Rupp, C. Iaconis, I. A. Walmsley, and U. Keller. Spatial resolved amplitude and phase characterization of femtosecond optical pulses. // Opt. Lett, v.26, №2, p.96, 2001.

104. P. O'Shea, M. Kimmel, X. Gu, and R. Trebino. Highly simplified device for ultrashortpulse measurement. // Opt. Lett, v.26, №12, p.792,2001.

105. V. M. Malkin, G. Shvets and N. J. Fisch. Detuned Raman amplification of short laser pulses in plasma. // Phys. Rev. Lett, v.84, №6, p.1208,2000.

106. K. Estabrook and W. L. Kruer. Theory and simulations of one-dimensional Raman backward and forward scattering. // Phys. of Fluids, v.26, №7, p. 1892, 1983.

107. M. J. Everett, A. Lai, D. Gordon, K. Wharton, С. E. Clayton, W. B. Mori, and C. Joshi. Evolution of stimulated Raman into stimulated Compton scattering of laser light via wave breaking of plasma wave. // Phys. Rev. Lett, v.74, №P>, p.1355, 1995.

108. M. J. Everen A. Lai, C. E. Chiton, V/. B. Mori. T. W. Johnston, and C. Josh:. Coupling between high-frequency plasma waves in hser-plasm:» interactions. /' Phys. Rev. Lea. v.74, „\bl?. p.2236. 1995.

109. G. Sh-.-eis ar.d K. J. Fi.ch. Parametric excitation of fast pla::ina waxes by eounterpropagating laser beans. // Phy.,. Rev. Lert. v.86, jYs! 5, p.3328, 2001.

110. D. R. Nicholson and A. N. Kaufman. Parametric instabilities in turbulent, inhomogeiieous plasma. /7 Phys. Rev. Lett. v.33. j\°20, p.1207, 1974.

111. T. P. Coffey. Breaking of large amplitude plasma oscillations. // Phys. of Fluids v.14. №7. p. 1402, 1971.

112. D. S. Clark and N. J. Fisch. Particle-in-cell simulations of Raman laser amplification in preformed plasmas. U Phys. of Plasmas, v. 10, №12, p.4848, 2003.

113. D. R. Nicholson. Parametric instabilities in plasma with sinusoidal density modulation. // Phys. of Fluids, v.19, №6, p.889, 1976.

114. G. Shvets, N. J. Fisch, A. Pukhov, and J. Meyer-ter-Vehn. Superradiant amplification of an ultrashort laser pulse in a plasma by a counterpropagating pump. // Phys. Rev. Lett, v.81, >222, p.4879, 1998.

115. M. Dreher, E. Takahashi, J. Meyer-ter-Vehn, and K.-J. Witte. Observation of superradiant amplification of ultrashort laser pulses in a plasma. // Phys. Rev. Lett, v.93, p.095001, 2004.