Формирование экстремально коротких импульсов резонансного излучения посредством адиабатической модуляции параметров среды электромагнитным полем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

ПОЛОВИНКИН Владимир Андреевич

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНО КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ АДИАБАТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 осз гш

Нижний Новгород - 2012

005009224

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Е. В. Радионычев

Официальные оппоненты: ' доктор физико-математических наук

М. В. Федоров

Защита состоится 27 февраля 2012 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан января 2012 г.

доктор физико-математических наук М. Д. Токман

Ведущая организация:

Научно исследовательский институт ядерной физики (НИИЯФ) им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М. В. Ломоносова

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор

Ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С первых лет существования лазерные источники импульсного оптического излучения стали одним из основных средств исследования и контроля динамики микромира. Если использование фемтосекунд-ных (1 фс= 1(Г15с) оптических импульсов позволило осуществить спектроскопию химических реакций со сверхвысоким временным разрешением [1] и показать возможность управления ходом их протекания, то для исследования и управления движением электронов на внутриатомных масштабах электромагнитные импульсы должны иметь аттосекундную (1 ас = Ю-18 с) длительность [2]. В 2011 году исполнилось десять лет со времени проведения первых экспериментальных работ в области аттосекундной физики [3, 4]. Благодаря созданию источников оптических импульсов аттосекундной длительности, прежде всего путём генерации гармоник высокого порядка лазерного излучения в газах, впервые оказались возможными исследование и контроль электронной динамики в атомах [5-8]. Вехами экспериментального исследования внутриатомных процессов стали: спектроскопия Оже-релаксации в атомах криптона с аттосекундным временным разрешением [9], измерение времени рекомбинации сопровождающей туннельную ионизацию оптического электрона в интенсивном лазерном поле [10], прямое измерение вибрационной динамики молекулярного иона 02+ [И], прямое измерение мгновенного значения напряжённости электрического поля лазерного импульса [12], исследование динамики структурной перестройки и фрагментации, сопровождающей фотоионизацию молекул водорода Н2, дейтерия Б2 и азота N2 рентгеновским излучением [13, 14], наблюдение туннелирования оптического электрона сквозь атомный потенциальный барьер [15], прямое измерение процесса переноса заряда в твёрдом теле с аттосекундным временным разрешением [16].

Современные приложения экстремально коротких фемто- и аттосекунд-ных оптических импульсов в исследовании внутриатомных и внутримолекулярных процессов в значительной степени ограничены возможностями существующих методов генерации импульсов. В настоящее время существует технология генерации одиночного аттосекундного импульса с малой эффективностью преобразования энергии падающего излучения [2, 17] и технология высокоэффективной генерации последовательности фемто- и субфемтосе-кундных импульсов, следующих друг за другом с периодом повторения, равным периоду колебаний лёгких молекул [18, 19]. Характерные значения относительной эффективности генерации одиночных аттосекундных импульсов, достигающиеся в эксперименте, составляют порядка 10"6; характерные значения энергии экстремально коротких фемто- и аттосекундных оптических импульсов составляют от единиц до сотен наноджоулей (1 нДж = = 10~9 Дж), что ограничивает возможности экспериментальных исследований нелинейно-оптических процессов со сверхбыстрым временным разрешением. Генерация экстремально коротких импульсов является сложно осуществимой

в определённых спектральных диапазонах, таких как дальнее инфракрасное излучение, вакуумный ультрафиолет, жёсткий рентген и гамма-излучение. Кроме того, имеются технологические трудности, связанные с согласованием фаз спектральных составляющих излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.

Актуальными задачами в области генерации ультракоротких импульсов оптического излучения являются: повышение эффективности генерации при возможности формирования одиночного импульса, повышение сосредоточенной в импульсе энергии, генерация импульсов без использования внешней подстройки фаз составляющих спектра в тех диапазонах, где она трудно осуществима и осуществление генерации в различных спектральных диапазонах.

Целью работы является:

- разработка методов аналитического описания и численного моделирования процесса распространения резонансного излучения в среде, дополнительно облучаемой низкочастотным электромагнитным полем с интенсивностью существенно меньшей порога ионизации из основного энергетического состояния частиц среды;

- определение оптимальных для формирования экстремально коротких импульсов резонансного излучения режимов взаимодействия излучения с веществом;

- разработка предложений по экспериментальному формированию экстремально коротких фемто- и аттосекундных импульсов в различных спектральных диапазонах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен метод формирования экстремально коротких оптических импульсов, основанный на преобразовании резонансного излучения в среде, облучаемой далеким от резонанса низкочастотным электромагнитным полем с интенсивностью, много меньшей порога ионизации из основного состояния частиц среды.

2. Показано, что механизмами формирования экстремально коротких импульсов резонансного излучения являются (1) модуляция частот резонансных квантовых переходов во времени и пространстве; и (2) модуляция скоростей ионизации из возбуждённых атомных состояний во времени и пространстве низкочастотным электромагнитным полем.

3. Показана возможность формирования одиночного экстремально короткого оптического импульса благодаря использованию: (а) короткого импульса квазирезонансного падающего излучения; (б) высокоинтенсивного импульса квазирезонансного излучения с резким передним фронтом; (в) импульса низкочастотного излучения с резким передним фронтом.

4. Определены экспериментальные условия формирования импульсов с длительностью до 700 ас посредством преобразования излучения с длиной волны 122 нм в среде атомов водорода, облучаемых излучением параметри-

ческого источника света с длиной волны 3200 нм, а также импульсов с длительностью до 60 ас из излучения с длиной волны 13.5 нм в среде ионов Ы2+, облучаемых излучением второй гармоники ТкБа-лазера с длиной волны 400 нм.

Практическая ценность. Предложенный способ формирования экстремально коротких импульсов обладает более широкой спектральной областью применимости от СВЧ до рентгеновского диапазона и потенциально более высокой эффективностью по сравнению с известными способами формирования ультракоротких импульсов, что способствует развитию технологий получения сверхкоротких импульсов излучения для актуальных применений в области исследования и управления ходом протекания внутриатомных процессов со сверхбыстрым временным разрешением.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Формирование экстремально коротких электромагнитных импульсов возможно посредством преобразования резонансного излучения в среде, облучаемой далеким от резонанса низкочастотным электромагнитным полем с интенсивностью, много меньшей порога ионизации из основного состояния частиц среды.

2. Физическими механизмами формирования экстремально коротких импульсов резонансного излучения являются: (1) модуляция частот резонансных квантовых переходов во времени и пространстве, (2) модуляция скоростей ионизации из возбуждённых атомных состояний во времени и пространстве низкочастотным электромагнитным полем. В зависимости от условий эксперимента экстремально короткие импульсы могут быть сформированы под действием преимущественно одного из механизмов.

3. Формирование экстремально коротких импульсов резонансного излучения возможно: (а) без использования подстройки фаз и амплитуд сгенерированных спектральных компонент; (б) с использованием фильтрации определённых компонент сгенерированного спектра; (в) при помощи внешнего управления амплитудами и фазами сгенерированных спектральных компонент.

4. В оптимальных условиях длительность формируемых импульсов может быть менее полутора периодов высокочастотного заполнения, пиковая интенсивность - в десять и более раз превышать интенсивность падающего излучения, а эффективность генерации - достигать нескольких процентов по энергии и нескольких десятков процентов по пиковой интенсивности. Параметры формируемых импульсов устойчивы по отношению к изменениям условий эксперимента.

5. Формирование одиночного экстремально короткого импульса возможно благодаря использованию: (а) короткого импульса квазирезонансного

падающего излучения; (б) высокоинтенсивного импульса квазирезонансного излучения с резким передним фронтом; (в) импульса низкочастотного излучения с резким передним фронтом.

6. В среде атомов водорода возможно формирование импульсов длительностью до 700 ас из резонансного излучения с длиной волны • 122 нм, в среде ионов Li2+ возможно формирование импульсов длительностью до 60 ас из резонансного излучения с длиной волны 13.5 нм.

Достоверность положений и результатов диссертации обоснована сопоставлением результатов аналитических и численных расчётов, а также сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными. Научные положения и выводы диссертации являются новыми и актуальными. Использование математических моделей обосновано соответствующими оценками и адекватной физической интерпретацией. Результаты работы опубликованы в ведущих российских и зарубежных реферируемых журналах, неоднократно докладывались на всероссийских и международных конференциях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 19 российских и международных физических конференциях, в том числе лично:

2007 г.: Н. Новгород (Россия), Н. Новгород - Саратов - Н. Новгород (Россия).

2008 г.: Н. Новгород (Россия).

2009 г.: Н. Новгород (Россия), Саров (Россия), Архангельск (Россия).

2010 г.: Н. Новгород (Россия), С. Петербург (Россия), Н. Новгород -С. Петербург (Россия), Казань (Россия).

2011 г.: Стамбул (Турция), Суздаль (Россия).

По теме диссертации опубликовано 25 работ, из которых 5 статей в реферируемых научных журналах и 20 публикаций в сборниках трудов и тезисов докладов конференций. Основные результаты второй и третьей глав опубликованы в Отчетном докладе президиума Российской академии наук «Научные достижения Российской академии наук в 2010 году» [20].

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы - 227 страниц, включая 77 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 178 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе с использованием двухуровневого приближения исследуются общие закономерности взаимодействия высокочастотного излучения с распределённой квантовой системой, частота и ширина спектральной линии перехода которой адиабатически изменяются во времени и пространстве под действием низкочастотного поля вследствие эффекта Штарка или Зеемана и туннельной ионизации из возбуждённого состояния соответственно. Исследуется модуляция частоты и ширины спектральной линии, перехода по закону бегущей волны низкочастотным полем, распространяющимся совместно с высокочастотным излучением:

где í - время, г - продольная координата, Ум - фазовая скорость низкочастотного поля, со21 - мгновенная частота, Е, и Е2 - энергии атомных состояний, индекс "2" соответствует возбуждённому, а "1" - основному состоянию, й - постоянная Планка, у21 - мгновенная полуширина спектральной линии

перехода; и - скорости ионизации из состояний "1" и "2", у0 - скорость релаксации атомной когерентности в отсутствие низкочастотного поля.

Двумя различными аналитическими способами показано, что в линейном режиме взаимодействия высокочастотного излучения со средой, когда подавляющая часть атомов среды остаётся в основном состоянии, задача о распространении квазирезонансного излучения с произвольной начальной амплитудно-частотной модуляцией в двухуровневой среде, частота и ширина спектральной линии перехода которой зависят от времени и пространства по закону бегущей волны, сводится к задаче о распространении эффективного излучения, связанного с падающим, в стационарной среде. Определены условия, при выполнении которых нестационарность среды (многочастотность отклика на монохроматическое излучение) определяется модуляцией частоты или модуляцией ширины спектральной линии перехода. Показано, что в случае гармонической модуляции ширины спектральной линии перехода отклик оптически тонкого слоя среды на заданное монохроматическое резонансное излучение представляет собой последовательность импульсов, близких к спектрально-ограниченному пределу, длительность которых убывает с ростом глубины изменения ширины линии перехода. В то же время показано, что в случае гармонической модуляции частоты перехода отклик оптически тонкого слоя среды на квазирезонансное излучение обладает сильной частотной

модуляцией. Аналитически показано, что эффективное обогащение спектра излучения при распространении в двухуровневой среде достигается, если отстройка частоты падающего излучения от частоты резонанса меньше или порядка глубины модуляции частоты или ширины спектральной линии перехода.

Аналитически решена задача о распространении квазирезонансного излучения в протяжённой среде с гармонически изменяющейся во времени и пространстве частотой квантового перехода, и показана возможность преобразования монохроматического излучения в последовательность импульсов с длительностью, много меньшей периода модулирующего поля и пиковой интенсивностью, существенно превышающей интенсивность падающего квазирезонансного излучения (при том, что средняя по времени интенсивность преобразованного в среде излучения меньше интенсивности падающего излучения вследствие резонансного поглощения). Исследованы случаи изотропной / анизотропной среды с однородным / неоднородным уширением спектральной линии перехода. Показано, что амплитуды и фазы спектральных составляющих выходного излучения определяются частотой и глубиной модуляции частоты перехода, спектральной шириной линии перехода, отстройкой частоты падающего излучения от частоты резонанса и оптической толщиной среды. Произведён численный поиск оптимальных сочетаний значений параметров, при которых достигается формирование импульсов с максимальной пиковой интенсивностью и максимальным значением отношения пиковой интенсивности к средней интенсивности выходного излучения. Показано, что в случае гауссовского профиля неоднородно уширенной спектральной линии перехода возможно формирование импульсов с большими значениями пиковой интенсивности, чем в спектрально-однородной среде, обладающей лоренцевским профилем линии перехода, в силу меньшего поглощения спектральных составляющих излучения вдали от резонанса. Показано, что при распространении квазирезонансного излучения в анизотропной двухуровневой среде возможно формирование импульсов как с поляризацией падающего излучения, так и с ортогональной поляризацией; аналитически и численно показано, что различные поляризационные компоненты излучения обладают различающимися спектральными и временными свойствами.

Показана возможность компрессии сформированных импульсов и существенного повышения их пиковой интенсивности путём компенсации частотной модуляции и / или фильтрации определённых составляющих спектра в диспергирующей среде. Рассмотрены случаи компрессии в прозрачной среде с квадратичной дисперсией, в резонансном поглотителе и путём компенсации дисперсии всех порядков [21, 22]. Показано, что вследствие нелинейной частотной модуляции сформированных импульсов компрессия в резонансном поглотителе является более эффективной по сравнению с компрессией в прозрачной среде с квадратичной дисперсией. Один из примеров временной зависимости интенсивности импульсов, сформированных в среде с гармонически изменяющейся во времени и пространстве частотой перехода и сжатых в

резонансном поглотителе изображён на рис. 1. Пиковая интенсивность импульсов более чем в 7.5 раз превышает интенсивность падающего излучения, длительность импульсов составляет 1/17 от периода повторения.

Рис. 1. Импульсы, сформированные из монохроматического квазирезонансного излучения в двухуровневой среде с гармонически изменяющейся частотой перехода (пунктирная линия), после компрессии в резонансном поглотителе (сплошная линия)

Показана возможность формирования импульсов среднего инфракрасного диапазона пикосекундной длительности в кристалле Бу2+: СаР2 благодаря адиабатической модуляции частоты оптического перехода с длиной волны Х=236 мкм магнитным полем вследствие линейного эффекта Зеемана. Показана возможность формирования импульсов фемтосекундной длительности при взаимодействии оптического излучения с 5-переходом серии Бальмера атомарного водорода |л=2) <-» |и=6) с резонансной длиной волны Х21 =410,17нм при адиабатической модуляции частоты перехода во времени и пространстве СВЧ полем гиротрона посредством линейного эффекта Штарка.

Во второй главе детально исследуется взаимодействие излучения со средой водородоподобных атомов, частоты квантовых переходов которых адиабатически изменяются вследствие линейного эффекта Штарка под действием низкочастотного поля, не ионизующего атомы из основного энергетического состояния. Из уравнения Шрёдингера с использованием резонансного приближения по высокочастотному излучению и адиабатического приближения по низкочастотному полю выведены уравнения для элементов матрицы плотности с зависящими от времени частотами квантовых переходов и скоростями релаксации:

где соД?) и уД?) определяются уравнениями, аналогичными (1), - ди-

польный момент перехода |/)<-ф), Ёнр({) - высокочастотное излучение, и суммирование ведётся по значимым атомным состояниям. Показано, что в рамках перечисленных приближений развитый формализм позволяет учесть взаимодействие атомов как с высокочастотным излучением, так и с низкочастотным полем за границами теории возмущений. Распространение линейно поляризованного излучения, близкого по частоте к резонансу с квантовым переходом из основного |и=1) в первое возбуждённое \п-2) состояние водоро-доподобных атомов (здесь п - главное квантовое число), в среде, облучаемой низкочастотным полем с той же линейной поляризацией и тем же направлением распространения, исследуется в трёхуровневом приближении: учитываются переходы из основного состояния в состояния, соответствующие подуровням энергетического уровня с п=2, идущие без изменения значения магнитного квантового числа, Ат=0, и приводящие к появлению линейно-поляризованных составляющих поляризации среды.

Проанализирована зависимость степени влияния линейной и нелинейной составляющих эффекта Штарка и туннельной ионизации из возбуждённых атомных состояний на отклик атомов, индуцированный высокочастотным излучением, от напряжённости низкочастотного поля и показано, что если амплитуда низкочастотного поля Ем удовлетворяет условию Ем/Еа < 6.25-10"3 2Ъ, где Еа ~ 5.14-Ю9 В/см- атомная единица поля, а 2 -

атомный номер (заряд ядра), то многочастотность резонансного атомного отклика обусловлена расщеплением и сдвигом энергетических уровней возбуждённых атомных состояний под действием низкочастотного поля вследствие линейного эффекта Штарка.

Рассмотрен случай монохроматического низкочастотного поля, приводящего к гармоническому изменению частот квантовых переходов во времени и пространстве. Аналитически показано, что если частота поля достаточно велика, то при выполнении ограничения Ем/Еа < 6.25-1 (Г3 -2Ъ влияние квадратичного эффекта Штарка и ионизации из возбуждённых атомных состояний сводится к статическому смещению частот и статическому уширению спектральных линий квантовых переходов соответственно. Показано, что гармоническая модуляция частот квантовых переходов низкочастотным полем вследствие линейного эффекта Штарка позволяет обогатить спектр и преобразовать монохроматическое падающее высокочастотное излучение в последовательность ультракоротких фемто- и аттосекундных импульсов с длительностью, составляющей менее десяти периодов заполнения и с пиковой интенсивностью, более чем десятикратно превышающей интенсивность падающего квазирезонансного излучения.

Определены условия, при выполнении которых благодаря интерференции составляющих резонансной поляризации, обусловленных квантовыми пере-

ходами из основного состояния |1) в возбуждённые состояния |2) и |3), соответствующие подуровням первого возбуждённого атомного энергетического уровня, и интерференции рассеянного излучения с падающим без подстройки фаз составляющих спектра преобразованного излучения после уменьшения амплитуды центральной составляющей спектра за средой формируется последовательность импульсов, близких к спектрально-ограниченному пределу. Построена аналитическая модель, с высокой степенью точности описывающая формирование импульсов резонансного излучения (рис. 2) и показывающая устойчивость решения относительно изменения экспериментальных параметров. Определён режим распространения высокочастотного излучения, являющийся оптимальным при использовании подстройки фаз спектральных составляющих излучения за средой, позволяющий достигать высокой скважности и высокой пиковой интенсивности импульсов.

Время, фс

Рис. 2. Импульсы, сформированные из (квази)монохроматического излучения с длиной волны 122.15 нм в атомарном водороде, облучаемом излучением С02-лазера с длиной волны 10.65 мкм и интенсивностью /(И=1.42-1012 Вт/см2. Длина области взаимодействия !,1 мм, концентрация атомов водорода - 1017 1/см3. Амплитуда центральной составляющей спектра выходного излучения ослаблена за средой в 3.2 раза. Длительность импульсов составляет 2.7 фс, период повторения - 17.8 фс пиковая интенсивность импульсов в 1.36 раз выше интенсивности падающего высокочастотного излучения. Сплошной жирной кривой показано аналитическое решение, а пунктиром -численное

Показана возможность экспериментального формирования импульсов с длительностью 2.7 фс благодаря преобразованию излучения с длиной волны 122 нм при распространении в среде атомов водорода, дополнительно облучаемых излучением С02-лазера с длиной волны 10.65 мкм, а также импульсов с длительностью 300 - 600 ас из излучения с длиной волны 13.5 нм в среде ионов Ы2+, дополнительно облучаемых излучением ТгБа-лазера с длиной волны 800 нм.

В третьей главе исследуется распространение высокочастотного излучения с частотой, близкой к частоте перехода из основного в первое возбуждённое состояние, в среде водородоподобных атомов, облучаемых низкочастотным полем, достаточно сильным для того, чтобы вызывать ангармоническую модуляцию частот переходов и скоростей релаксации элементов матрицы плотности частиц среды во времени и пространстве вследствие нелинейного эффекта Штарка и туннельной ионизации из возбуждённых атомных состояний соответственно. Интенсивность поля в то же время остаётся существенно ниже порога ионизации из основного атомного состояния. Для описания резонансного атомного отклика на линейно поляризованное излучение использована трёхуровневая модель. Значения частот квантовых переходов |1}<->|2), ЮН3) и |2>Н3) и скоростей релаксации элементов матрицы плотности атомов в низкочастотном поле определяются равенствами, аналогичными (1), и выражениями [23]

ш2 г—»"' 2

(3)

юп

где = £^(2,0/4 > 5 = Е1Г{г,I) - напряжённость

низкочастотного поля, те и е - масса и заряд электрона соответственно. Показано, что если амплитуда низкочастотного поля ограничена условием Е !Е > 0.01-23, то глубина изменения скоростей релаксации элементов

МI а "

матрицы плотности, обусловленного ионизацией из возбуждённых атомных состояний, существенно превышает глубину изменения частот переходов вследствие эффекта Штарка. При этом многочастотность отклика атомов на монохроматическое высокочастотное излучение обусловлена ионизацией, практически прерывающей взаимодействие квазирезонансного излучения со средой и приводящей к появлению интервалов прозрачности оптически плотной поглощающей среды для квазирезонансного излучения дважды за период низкочастотного поля в окрестности максимумов модуля его напряжённости.

Показано, что в режиме быстрой ионизации из возбуждённых атомных состояний низкочастотным полем после фильтрации центральной спектральной составляющей излучения за средой возможно преобразование монохроматического квазирезонансного излучения в последовательность импульсов с длительностью, существенно меньшей той, что достигается в случае гармонической модуляции частот квантовых переходов (рис. 3).

Показано, что формируемые импульсы являются близкими к спектрально-ограниченному пределу, а их длительность в оптимальных условиях может составлять менее полутора периодов заполнения. Построена аналитическая модель, с высокой степенью точности описывающая результаты числен-

ной оптимизации формирования импульсов (рис. 3). Аналитически и численно показано, что режим формирования импульсов из монохроматического квазирезонансного излучения является устойчивым к изменению параметров, характеризующих распространение излучения в среде в широких пределах.

1.25

£ ^ о —

° -ч 1 X .. 1 . т к

Г» 5 я О X

1 | I 0.75

§ § 5

У ы =

5 £ о 0.5

» I I

К I з

£ | 0.25.

г 1

о с

о

Рис. 3. Импульсы, сформированные из (квази)монохроматического излучения с длиной волны 121.6 нм в атомарном водороде, облучаемом излучением С02-лазера с длиной волны 10.65 мкм и интенсивностью 4^=2.19-1013 Вт/см2. Длина области взаимодействия 0.9 мм, концентрация атомов водорода - 1017 1/см3. Центральная составляющая спектра излучения за средой полностью подавлена. Длительность импульсов -1.33 фс, период повторения - 17.8 фс пиковая интенсивность импульсов в 1.2 раза выше интенсивности падающего высокочастотного излучения. Сплошной жирной кривой показано аналитическое решение, а пунктиром - численное

Исследован случай импульсного падающего квазирезонансного излучения, распространяющегося в среде, параметры которой модулируются монохроматическим или импульсным коллинеарно распространяющимся низкочастотным полем. Показано, что в режиме доминирующей ионизации из возбуждённых атомных состояний эффект формирования экстремально коротких импульсов сохраняется вплоть до длительностей импульса низкочастотного поля порядка периода поля и длительностей импульса падающего квазирезонансного излучения, меньших данного периода. При этом импульс квазирезонансного излучения преобразуется при распространении в среде в цуг экстремально коротких импульсов с возможностью управления количеством импульсов в цуге.

Показана возможность формирования одиночного экстремально короткого импульса благодаря использованию: (1) короткого импульса падающего квазирезонансного излучения; (2) импульса квазирезонансного излучения с высокой интенсивностью и резким передним фронтом; и (3) импульса низкочастотного поля с резким передним фронтом (рис. 4).

Показано, что при использовании источников интенсивного падающего квазирезонансного излучения эффективность преобразования в цуг экстре-

Время, фс

мально коротких импульсов, определённая как отношение энергии, сосредоточенной в сформированных импульсах, к суммарной энергии импульсов падающего квазирезонансного и низкочастотного поля, может достигать нескольких процентов, а эффективность преобразования, определённая как отношение пиковой интенсивности сформированных экстремально коротких импульсов к суммарной интенсивности падающего низкочастотного и высокочастотного поля, - десятков процентов.

Рис. 4. Одиночный импульс, сформированный из излучения с центральной длиной волны 13.5 нм в среде ионов Ьг+, облучаемых импульсом второй гармоники ТкБа-лазера с центральной длиной волны 400 нм длительностью 1.33 фс (один период заполнения) и пиковой интенсивностью 4г=1.61016 Вт/см2. Длина среды - 130 мкм, концентрация ионов Ы2+- 1019 1/см3. Центральная составляющая спектра излучения за средой отфильтрована с помощью спектрально-селективных Мо^ зеркал [24]. Длительность сформированного импульса - 60 ас. При использовании импульса второй гармоники Т1:8а-лазера с длительностью 4 фс (три периода заполнения) при тех же значениях остальных параметров за средой формируется одиночный импульс излучения с центральной длиной волны 13.5 нм длительностью 75 ас

Показана возможность экспериментального формирования импульсов с длительностью до 700 ас из излучения с длиной волны 122 нм в среде атомарного водорода, облучаемой излучением параметрического источника света с центральной длиной волны 3200 нм, а также импульсов с длительностью до 60 ас из излучения с длиной волны 13.5 нм в среде ионов 1л \ облучаемых излучением второй гармоники Тт-Ба-лазера с центральной длиной волны 400 нм. В первом случае длительность импульсов составляет менее двух, а во втором - менее полутора периодов заполнения, импульсы формируются без использования внешней подстройки фаз составляющих сгенерированного спектра.

0.25

11

Время, фс

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые показана возможность формирования экстремально коротких оптических импульсов на основе преобразования резонансного излучения в среде, облучаемой далеким от резонанса низкочастотным электромагнитным полем с интенсивностью, много меньшей порога ионизации из основного состояния частиц среды.

2. Выявлены и исследованы физические механизмы формирования экстремально коротких импульсов резонансного излучения: (1) модуляция частот резонансных квантовых переходов во времени и пространстве низкочастотным электромагнитным полем вследствие адиабатического эффекта Штарка или Зеемана; (2) возникновение интервалов прозрачности резонансных квантовых переходов в окрестности максимумов модуля напряженности низкочастотного поля вследствие туннельной ионизации из возбужденных атомных состояний.

3. Показано, что в зависимости от условий эксперимента экстремально короткие импульсы резонансного излучения могут быть сформированы под действием преимущественно одного из механизмов. Аналитически и численно определены параметры формируемых импульсов и показана их устойчивость по отношению к изменениям условий эксперимента.

4. Показана возможность формирования ультракоротких импульсов резонансного излучения в двухуровневой и трёхуровневой среде с переменными частотами и ширинами спектральных линий квантовых переходов в трех случаях: (а) без использования подстройки фаз и амплитуд спектральных компонент выходного излучения, (б) с использованием фильтрации определённых составляющих спектра, (в) при помощи внешнего управления амплитудами и фазами спектральных составляющих. Определены оптимальные значения параметров.

5. Показано, что в оптимальных условиях длительность формируемых импульсов может быть менее полутора периодов высокочастотного заполнения, пиковая интенсивность - более чем десятикратно превышать интенсивность падающего излучения, а эффективность генерации - достигать нескольких процентов по энергии и нескольких десятков процентов по пиковой интенсивности.

6. Показана возможность формирования одиночного экстремально короткого импульса благодаря использованию: (а) короткого импульса квазирезонансного падающего излучения; (б) высокоинтенсивного импульса квазирезонансного излучения с резким передним фронтом; (в) импульса низкочастотного излучения с резким передним фронтом.

7. Определены экспериментальные условия формирования импульсов длительностью до 700 ас из резонансного излучения с длиной волны 122 нм в среде атомов водорода, а также импульсов длительностью до 60 ас из резонансного излучения с длиной волны 13.5 нм в среде ионов Ы2+.

Цитируемая литература

[1] А.Н. Zewail Femtochemistry: Atomic-Scale Dynamics of the Chemical Bond // J. Phys. Chem. A 2000, v. 104, № 24, P. 5660-5694.

[2] F. Krausz, M. Ivanov Attosecond physics // Rev. Mod. Phys. 2009, v. 81, № 1, P. 163-234.

[3] P.M. Paul, E.S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Auge, Ph. Balcou, H.G. Muller, P. Agostini Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation // Science 2001, v. 292, № 5522, P. 1689—1692.

[4] M. Hentschel, R. Kienberger, Ch. Spielmann, G.A. Reider, N. Milosevic, T. Brabec, P. Corkutri, U. Heinzmanh, M. Drescher, F. Krausz Attosecond metrology //Nature2001, v. 414, № 6863, P. 509—513.

[5] P. Agostini, L. F. DiMauro The physics of attosecond light pulses // Rep. Prog. Phys. 2004, v. 67, № 6, P. 813-855.

[6] A. Scrinzi, M Yu Ivanov, R Kienberger, D M Villeneuve Attosecond physics // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys 2006, v. 39, № 1, P. R1-R37.

[7] P. B. Corkum, F. Krausz Attosecond science // Nature Physics 2007, v. 3, №6, P. 381-387.

[8] E. Goulielmakis, V. S. Yakovlev, A. L. Cavalieri, M. Uiberacker, V. Per-vak, A. Apolonski Attosecond Control and Measurement: Lightwave Electronics // Science 2007, v. 317, № 5839, P. 769-775.

[9] M. Drescher, M. Hentschel, R. Kienberger, M. Uiberacker, V. Yakovlev, A. Scrinzi, Th. Westerwalbesloh, U. Kleineberg, U. Heinzmann, F. Krausz Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy // Nature. 2002. v. 419, № 6909, P. 803807.

[10] L. C. Dinu, H. G. Muller, S. Kazamias, G. Mullot, F. Auge, Ph. Balcou, P. M. Paul, M. Kovacev, P. Breger, P. Agostini Measurement of the Subcycle Timing of Attosecond XUV Bursts in High-Harmonic Generation // Phys. Rev. Lett. 2003, v. 91, №6, Art. no. 063901.

[1 i] H. Niikura, F. Legare, R. Hasbani, M. Yu Ivanov, D. M. Villeneuve, P. B. Corkum Probing molecular dynamics with attosecond resolution using correlated wave packet pairs //Nature 2003, v. 421, № 6925, P. 826-829.

[12] E. Goulielmakis, M. Uiberacker, R. Kienberger, A. Baltuska, V. Yakovlev, A. Scrinzi, Th. Westerwalbesloh, U. Kleineberg, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz Direct Measurement of Light Waves // Science 2004, v. 305, № 5688, pp. 1267-1269.

[13] S. Baker, J. S. Robinson, C. A. Haworth, H. Teng, R A. Smith, С. C. Chirila, M. Lein, J. W. G. Tisch, J. P. Marangos Probing Proton Dynamics in Molecules on an Attosecond Time Scale // Science 2006, v. 312, № 5772, P. 424427.

[14] E. Gagnon, P. Ranitovic, X.-M. Tong, C. L. Cocke, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, A. S. Sandhu Soft X-ray-Driven Femtosecond Molecular Dynamics // Science 2007, v. 317, № 5843, P. 1374-1378.

[15] M. Uiberacker, Th. Uphues, M. Schultze, A. J. Verhoef, V. Yakovlev, M. F. Kling, J. Rauschenberger, N. M. Kabachnik, H. Schröder, M. Lezius, К. L. Kompa, H.-G. Muller, M. J. J. Vrakking, S. Hendel, U. Kleineberg, U. Heinzmann, M. Drescher, F. Krausz Attosecond real-time observation of electron tunnelling in atoms // Nature. 2007, v. 446, № 7136, P. 621-632.

[16] A. L. Cavalieri, N. Müller, Th. Uphues, V. S. Yakovlev, A. Baltuka, B. Horvath, B. Schmidt, L. Bliimel, R. Holzwarth, S. Hendel, M. Drescher, U. Kleineberg, P. M. Echenique, R. Kienberger, F. Krausz, U. Heinzmann Attosecond spectroscopy in condensed matter // Nature 2007, v. 449, № 7165, P. 1029-1032.

[17] E. Goulielmakis, M. Schultze, M. Hofstetter, V. S. Yakovlev, J. Gagnon, M. Uiberacker, A. L. Aquila, E. M. Gullikson, D. T. Attwood, R. Kienberger, F. Krausz, U. Kleineberg Single-Cycle Nonlinear Optics // Science 2008, v. 320, №5883 P. 1614-1617.

[18] M. Y. Shverdin, D. R. Walker, D. D. Yavuz, G. Y. Yin, S. E. Harris Generation of a Single-Cycle Optical Pulse // Phys. Rev. Lett. 2005, v. 94, №3, Art. no. 033904.

[19] IV.-J. Chen, Z.-M. Hsieh, S. W. Huang, H.-Y. Su, C.-J. Lai, T.-T. Tang, Ch.-H. Lin, C.-K. Lee, R.-P. Pan, C.-L. Pan, A. H. Kung Sub-Single-Cycle Optical Pulse Train with Constant Carrier Envelope Phase // Phys. Rev. Lett. 2008, v. 100, № 16, Art. no. 163906.

[20] Отчетный доклад президиума Российской академии наук «Научные достижения Российской академии наук в 2010 году». Москва: Наука, 2011, ISBN 978-5-02-037649-6, С.82.

[21] К Pervak, I. Ahmad, J. Fulop, M. К. Trubetskov, А. V. Tikhonravov Comparison of dispersive mirrors based on the time-domain and conventional approaches, for sub-5-fs pulses // Opt. Express 2009, v. 17, № 4, P. 2207-2217.

[22] K. Hazu. T. Sekikawa, M. Yamashita Spatial light modulator with an over-two-octave bandwidth from ultraviolet to near infrared // Opt. Lett. 2007, v. 32, №22, P. 3318-3320.

[23] P. Я. Дамбург, В. В. Колосов Теоретическое исследование водородных ридберговских атомов в электрических полях. В сб.: Ридберговские состояния атомов и молекул, под ред. Р. Стеббингса и Ф. Даининга. Москва: Мир, 1985, С. 42-87.

[24] Т. Harada, Т. Hatano, М. Yamamoto Narrow Band Mo/Si Multilayers with Thick Si Structures // In proceedings of the 8th International Conference on X-ray Microscopy, edited by S. Aoki, Y. Kagoshima, Y. Suzuki, Conf. Proc. Series IPAP 2006, № 7, P. 195-198, Tokyo, Japan: Institute of Pure and Applied Physics.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1. Y.V. Radeonychev, V.A. Polovinkin, О. Kocharovskaya Pulse Shaping via Modulation of Resonant Absorption // Las. Phys. 2009, v. 19, № 4, P. 769-775.

2. B.A. Половинкин, E.B. Радионычев Формирование оптических импульсов посредством модуляции частоты резонансного квантового перехода в

спектрально-неоднородной среде // Квант. Электр. 2010, т. 40, № 2, С. 115120.

3. Y.V. Radeonychev, V.A. Polovinkin, О. Kocharovskaya Extremely Short Pulses via Stark Modulation of the Atomic Transition Frequencies // Phys. Rev. Lett. 2010, v. 105, № 18, Art.no. 183902.

4. V.A. Polovinkin, Y. V. Radeonychev, O. Kocharovskaya Few-cycle attosec-ond pulses via periodic resonance interaction with hydrogen-like atoms // Opt. Lett. 2011, v. 36, № 12, P. 2296-2298.

5. Y.V. Radeonychev, V.A. Polovinkin, O. Kocharovskaya Extremely Short Pulses via Resonantly Induced Transparency // Las. Phys. 2011, v. 21, № 7, P. 1243-1251.

6. B.A. Половинкин, Е.В. Радионычев Формирование оптических импульсов в частотно модулированной резонансной двухуровневой среде // Труды 11 Всероссийской научной конференции по радиофизике (Н. Новгород, 7 мая 2007 г.), под ред. А. В. Кудрина, А. В. Якимова, С. 109-110.

7. В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Компрессия оптических импульсов в резонансной двухуровневой среде II Труды 12 Всероссийской научной конференции по радиофизике (Н. Новгород, 7 мая 2008 г.), под ред. А. В. Якимова, С. М. Грача, С. 135-136.

8. В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Формирование видеоимпульсов оптического излучения в атомарном водороде посредством гармонической модуляции частот резонансных квантовых переходов // Доклады III Всероссийской школы по лазерной физике и лазерным технологиям, (Саров, 20-23 апреля 2009 г.), под ред. д. ф.-м. н. С.Г. Гаранина, С. 106-111.

9. V.A. Polovinkin, Y. V. Radeonychev, О. Kocharovskaya Generation of few-cycle attosecond pulses via dynamic Stark shift and tunnel ionization in hydrogenlike medium // Proceedings of the IV-th International Conference "Frontiers of Nonlinear Physics" (Nizhny Novgorod - St.-Petersburg, Russia, July 13-20, 2010), P. 191-192.

10. С. O'Brien, V. Polovinkin, F. Vagizov, R. Shakhmuratov, R. Akhmedz-hanov, A. Bondartsev, L. Gushin, Y. Radeonychev, O. Kocharovskaya Quantum coherence effects in solids: new regimes and applications // Proceedings of the IV-th International Conference "Frontiers of Nonlinear Physics" (Nizhny Novgorod -St.-Petersburg, Russia, July 13-20,2010), P. 299.

11. V.A. Polovinkin, Y. V. Radeonychev, O. Kocharovskaya Nearly bandwidth-limited attosecond pulses via periodic resonance interaction with hydrogen-like atoms // Proceedings of the International OSA Topical Meeting "High Intensity Lasers and High Field Phenomena (HILAS 2011)" (Istanbul, Turkey, February 13-18, 2011), presentation number HWB4, published online:

http://www.opticsinfobase.org/search.cfm?meetingid= 119&year=2011 &meetingse ssidn=HWB.

12. В.А. Половинкин Генерация оптических импульсов при распространении резонансного монохроматического излучения в вибрирующей среде //

Тезисы докладов 12 Нижегородской сессии молодых учёных (Н. Новгород, 16-21 апреля 2007г.), С. 111.

13. В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Преобразование резонансного излучения в серию импульсов в двухуровневой среде с модулированной частотой перехода // Тезисы докладов конференции молодых учёных научной школы «Нелинейные волны - 2008» (Н. Новгород, 1-7 марта 2008г.), С. 132133.

14. Y. V. Radeonychev, V.A. Polovinkin, О. Kocharovskaya Pulse shaping via modulation of resonant absorption // Book of Abstracts of the 17-th International Laser Physics Workshop (LPHYS'08) (Trondheim, Norway, June 30 - July 4, 2008), P.85.

15. В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Формирование ультракоротких импульсов в резонансном поглотителе с гармонически модулированными параметрами // Тезисы докладов 14 Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 19-24 апреля 2009 г.), С. 50.

16. В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Формирование ультракоротких импульсов на основе резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом // Тезисы докладов XIX Международной конференции «Фундаментальная атомная спектроскопия» (Архангельск - Соловки, 22-29 июня 2009 г.), С. 58-59.

17. В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Формирование аттосекундных импульсов на основе динамического эффекта Штарка и туннельной ионизации возбуждённых состояний водородоподобных атомов // Тезисы докладов конференции молодых учёных научной школы «Нелинейные волны - 2010» (Н. Новгород, 6-12 марта 2010 г.), С. 103.

18. Е.И. Гаранькин, В.А. Половинкин, Е.В. Радионычев Преобразование резонансного излучения в двухуровневой среде с модулированной шириной линии перехода // Тезисы докладов конференции молодых учёных научной школы «Нелинейные волны -2010» (Н. Новгород, 6-12 марта 2010 г.), С. 19.

19. V.A. Polovinkin, Y.V. Radeonychev, О.A. Kocharovskaya Attosecond pulses via dynamic Stark shift and tunnel ionization in hydrogen-like medium // in the Technical Digest of 14-th International conference Laser Optics 2010 on CD-ROM (St. Petersburg, Russia, June 28 - July 02, 2010), presentation number R5 099.

20. F. Vagizov, R. Shakhmuratov, C. O'Brien, A. Bondartsev, L. Gushin, R. Akhmedzhanov, V. Polovinkin, Y. Radeonychev, O. Kocharovskaya Quantum coherence effects in solids and their applications // in the Technical Digest of 19-th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 10) on CD-ROM (Foz do Iguaçu, Brazil, July 5-9, 2010), presentation number 1.2.3.

21. Y.V. Radeonychev, V.A. Polovinkin, O.A. Kocharovskaya Extremely short pulses via resonantly induced transparency // in the Technical Digest of 19-th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 10) on CD-ROM (Foz do Iguaçu, Brazil, July 5-9,2010), presentation number 1.7.3.

22. V.A. Polovinkin, Y. V. Radeonychev, O.A. Kocharovskaya Extremely short pulses via periodic-resonance excitation of quantum system // in the Technical Digest of International conference IGONO/LAT 2010 on CD-ROM (Kazan, Russia, August 23-27,2010), presentation number IThU4.

23. V.A. Polovinkin, Y.V. Radeonychev, O. Kocharovskaya Few-cycle attosec-ond pulses via periodic resonance interaction with hydrogen-like atoms // Book of Abstracts of the Physics of Quantum Electronics (PQE 2011) International Conference (Snowbird, Utah, USA, January 2-6, 2011), P. 157, http://www.pqeconference.com/pqe2011/Abstract-Book-auth.pdf.

24. Y. V. Radeonychev, V.A. Polovinkin, O. Kocharovskaya Resonant generation.of few-cycle XUV pulses in hydrogenlike atoms // in the Technical Digest of 20-th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 11) on CD-ROM (Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, July 11-15, 2011), presentation number 1.11.4.

25. V.A. Polovinkin, Y. V. Radeonychev, O. Kocharovskaya Formation of ultrashort gamma-ray pulses via vibration of resonant absorber // in the Technical Digest of 20-th International Laser Physics Workshop (LPHYS' 11) on CD-ROM (Sarajevo, Bosnia and Herzegovina, July 11-15,2011), presentation number P1.4.

ПОЛОВИНКИН Владимир Андреевич

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНО КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ АДИАБАТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Автореферат

Подписано в печать 16.01.2012. Формат 60 х 90 '/i6 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 120 экз. Заказ № 12(2012)

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

61 12-1/604

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

, 7

ПОЛОВИНКИН ВЛАДИМИР АНДРЕЕВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНО КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ РЕЗОНАНСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ АДИАБАТИЧЕСКОЙ МОДУЛЯЦИИ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук,

доцент Е.В. Радионычев

Нижний Новгород 2011

Формирование экстремально коротких импульсов резонансного излучения посредством адиабатической модуляции параметров среды электромагнитным полем

Содержание

Введение.......................................................................................................... 5

Глава 1. Взаимодействие оптического излучения с двухуровневой средой с адиабатически изменяющимися во времени и пространстве частотой и шириной

спектральной линии квантового перехода.............................................. 22

1.1. Постановка задачи........................................................................... 25

1.2. Аналитическое упрощение задачи о распространении излучения в среде с изменяющейся частотой и шириной спектральной линии квантового перехода........................................... 32

1.2.1. Разделение динамики атомной когерентности, вызванной низкочастотными

и высокочастотным излучением................................................... 32

1.2.2. Замена времени..................................................................... 35

1.3. Отклик двухуровневых атомов

с гармонически изменяющимися во времени частотой и шириной спектральной линии квантового перехода на монохроматическое излучение......................................................... 40

1.3.1. Атомная когерентность,

возбуждаемая монохроматическим излучением......................... 41

1.3.2. Переизлучённое атомами поле,

роль отклика атомов на заданное излучение

и распространения излучения в протяжённой среде

для формирования импульсов....................................................... 44

1.3.3. Нерезонансный отклик атомов с гармонически изменяющимися во времени частотой и шириной спектральной линии квантового перехода........................... 58

1.4. Формирование импульсов из квазирезонансного излучения

в анизотропной двухуровневой среде................................................... 61

1.4.1. Аналитическое решение....................................................... 61

1.4.2. Результаты численной оптимизации

формирования импульсов в анизотропной среде........................ 64

1.4.3. Оценка возможности экспериментального формирования импульсов в кристалле Бу2+: Са¥2...................... 71

1.5. Формирование импульсов из квазирезонансного излучения в спектрально-неоднородной двухуровневой среде.

Компрессия сформированных импульсов............................................ 73

1.5.1. Аналитическое решение....................................................... 73

1.5.2. Результаты численной оптимизации формирования импульсов в среде с гауссовским

профилем спектральной линии поглощения................................ 77

1.5.3. Компрессия сформированных импульсов.......................... 82

1.5.4. Оценка возможности экспериментального формирования импульсов в атомарном водороде....................... 89

1.6. Основные результаты и выводы..................................................... 91

1.6.1. Основные результаты §1.1................................................... 91

1.6.2. Основные результаты § 1.2................................................... 91

1.6.3. Основные результаты §1.3................................................... 92

1.6.4. Основные результаты §1.4................................................... 93

1.6.5. Основные результаты §1.5................................................... 94

Глава 2. Формирование фемто- и аттосекундных импульсов из резонансного излучения благодаря сдвигу энергетических уровней водородоподобных атомов в низкочастотном поле................................................................................ 97

2.1 Вывод уравнений для элементов матрицы плотности с изменяющимися частотами квантовых переходов и скоростями релаксации из уравнения Шрёдингера........................ 101

2.2. Распространение излучения в трёхуровневой среде с гармонически изменяющимися частотами

квантовых переходов. Общие уравнения............................................ 108

2.2.1. Анализ роли эффекта Штарка

и ионизации из возбуждённых состояний в низкочастотном поле во взаимодействии

квазирезонансного излучения со средой.................................... 109

2.2.2. Уравнения, описывающие распространение квазирезонансного излучения в трёхуровневой среде

с гармонически изменяющимися частотами переходов........... 113

2.3. Формирование импульсов из квазирезонансного излучения. Способы экспериментальной реализации...................................... 120

2.3.1. Результаты численной оптимизации................................ 120

2.3.2. Возможности экспериментального формирования ультракоротких импульсов

в среде водородоподобных атомов............................................. 123

2.4. Отклик трёхуровневых атомов

с гармонически изменяющимися частотами переходов

на заданное монохроматическое излучение..............................................................................135

2.5. Основные результаты и выводы......................................................................................................144

2.5.1. Основные результаты §2.1..................................................................................................144

2.5.2. Основные результаты §2.2..................................................................................................145

2.5.3. Основные результаты §2.3..................................................................................................146

2.5.4. Основные результаты §2.4..................................................................................................147

Глава 3. Формирование экстремально коротких фемто- и аттосекундных импульсов из резонансного излучения благодаря туннельной ионизации из возбуждённых состояний водородоподобных атомов в низкочастотном поле.............................. 149

3.1. Формирование импульсов из резонансного излучения в среде с ангармонически изменяющимися частотами

и ширинами спектральных линий квантовых переходов.................. 153

3.2. Отклик двухуровневых атомов с изменяющейся по ступенчатому закону шириной линии перехода

на заданное монохроматическое излучение...................................... 166

3.3. Взаимодействие импульсного падающего резонансного и низкочастотного излучения

со средой водородоподобных атомов................................................. 173

3.4. Основные результаты и выводы................................................... 201

3.4.1. Основные результаты §3.1................................................. 201

3.4.2. Основные результаты §3.2................................................. 202

3.4.3. Основные результаты §3.3................................................. 203

Заключение.................................................................................................. 206

Список работ, содержащих основные материалы диссертации........ 208

Литература....................................................................................................212

Введение

Актуальность работы. Ключом к исследованию динамики природы и управлению ходом протекания природных процессов является использование импульсных сигналов, длительность которых определяет временное разрешение и скорость воздействия на исследуемый процесс [1]. Переход от исследования и контроля протекания макропроцессов к исследованию и контролю микропроцессов, явившийся основой технологической и информационной революций второй половины двадцатого века, оказался возможен благодаря сокращению длительности используемых сигналов, поскольку, в соответствии с законами квантовой механики, характерные времена протекания природных процессов уменьшаются с уменьшением масштабов их развития [1,2].

С первых лет существования (1960-е годы) лазерные источники импульсного оптического излучения стали одним из основных средств исследования и контроля динамики микромира. Эволюция лазерной физики и технологии, сопровождавшаяся открытием способов модуляции добротности резонатора [3] и синхронизации лазерных мод [4], использованием широкополосной активной среды [5] и внутрирезонаторной компенсации материальной дисперсии [6, 7] привела к сокращению длительности лазерных импульсов от десятков микросекунд (1 мс = КГ6 с) до единиц фемтосекунд (1 фс = 10"15 с) [8,9], сделав современные фемтосекундные лазерные источники одним из основных средств прямого исследования и контроля динамики сверхбыстрых химических и биологических процессов [10]. Современные достижения лазерной технологии, сделавшие возможным независимое управление амплитудой, фазой [11, 12] и поляризацией [13] отдельных спектральных составляющих фемтосекундных лазерных импульсов, расширили возможности управления динамикой фотохимических реакций за счёт изменения формы поверхностей потенциальной энергии в интенсивном лазерном поле [14-17].

Если использование импульсного микроволнового излучения позволило осуществить контроль переноса заряда в полупроводниковых структурах на масштабах в сотни нанометров (1 нм = 10"9л*) и послужило основой создания современных компьютерной техники, информационных систем, бытовой, аудио- и видеотехники, то переход к использованию оптического излучения даёт возможность управления динамикой процессов, протекающих в отдельных молекулах и группах атомов на масштабах в десятки и единицы нанометров, открывая перспективы создания принципиально новых технологий оптической обработки информации [18-20] и

вычислительной техники, основанной на управлении квантовыми свойствами элементарных составляющих (атомов и молекул) вещества. Концепции квантово-оптической обработки информации, использующие ультракороткие оптические импульсы, прослеживаются по работам [21-30].

Другим значимым приложением экстремально коротких оптических импульсов является фемтосекундная оптическая метрология, основанная на использовании частотных гребёнок, формируемых лазерными источниками в режиме синхронизации мод, прокалиброванных по цезиевому стандарту частоты, для измерения частотных интервалов [31-34]. Одним из способов калибровки спектра лазерного излучения является смешение излучения второй гармоники фемтосекундного оптического импульса с излучением суперконтинуума, сгенерированного репликой этого же импульса [35], в нелинейной среде, и стабилизация сигнала разностной частоты по опорному радиочастотному сигналу, резонансному сверхтонкому расщеплению энергетических уровней атомов цезия. Системы оптической метрологии, основанные на использовании линейчатого спектра фемтосекундных лазерных импульсов, позволили обеспечить относительную точность измерения частотных интервалов порядка 510"16 [33, 34]. Благодаря своей простоте и компактности техника фемтосекундных частотных гребёнок приобрела широкое распространение для измерений фундаментальных физических констант и создания оптических часов [34]. Активно исследуются возможности использования таких систем для спутниковой навигации и высокоточной синхронизации оптических сетей [35].

Ещё одним значимым приложением сверхкоротких оптических импульсов является нелинейная спектроскопия сверхбыстрых процессов со временным разрешением [36-44], позволяющая получить обширные сведения о свойствах исследуемых веществ: химическом составе, населённости стационарных состояний, температуре, распределении скоростей и других параметрах атомов и молекул в газовых средах, жидкостях, твёрдых телах и плазме, при исследовании объектов, характеризующихся высоким уровнем засветок, включая пламена, сильно возбуждённые газы и плазму электрических и оптических разрядов.

Во всех вышеперечисленных приложениях ключевую роль играют лазерные источники экстремально коротких оптических импульсов. Возможности контроля и управления динамикой процессов на молекулярных (нанометровых) масштабах в существенной степени определяются технологиями генерации, передачи и измерения перестраиваемых по длине волны предельно коротких импульсов. Вследствие того, что лазеры генерируют импульсы с определённой центральной длиной волны, в которых

возможно разделение заполнения и огибающей, длительность лазерных импульсов принципиально ограничена периодом поля заполнения, что для существующих лазерных систем составляет порядка 2-3 фс [1, 8, 9, 45, 46]. Современные лазерные источники вплотную приблизились к этому пределу длительности благодаря использованию следующих ключевых элементов: сверхширокополосных активных сред (сапфир, допированный титаном Ш3+:А120з), форстерит, допированный хромом (Cr4+:Mg2Si04) и др.), пассивной синхронизации мод и обогащению спектра за счёт самофокусировки и фазовой самомодуляции лазерного излучения в активной среде соответственно и внутрирезонаторной компенсации дисперсии элементов лазера системой призм и зеркал с программируемой дисперсией [9]. Экспериментально получены импульсы длительностью 4.4 фс с выхода титан-сапфирового лазерного генератора [47]. Использование системы внешней подстройки только фаз или фаз и амплитуд (фильтрации) спектральных компонент излучения позволило сократить длительность импульсов данной лазерной системы до 4.2 фс и 3.6 фс соответственно [48]. Яркие достижения в области генерации экстремально коротких оптических импульсов в значительной степени обусловлены высоким уровнем развития современной техники управления спектральной фазой излучения посредством отражения от зеркал с программируемой дисперсией [49] и средствами фурье-оптики: адаптивными зеркалами [50] и пространственными модуляторами света [51], позволяющими осуществить управление как фазами, так и амплитудами спектральных составляющих. Ещё одним выдающимся достижением последнего десятилетия стала техника стабилизации фазы осциллирующего заполнения относительно огибающей (carrier-envelope phase, СЕР) ультракороткого оптического импульса [1, 31, 52], позволившая наряду с прецизионной оптической спектроскопией [31-35] осуществить контроль за процессами сильно-нелинейного взаимодействия атомов и молекул с интенсивным лазерным излучением с ранее недостижимой аттосекундной точностью (1 ас = 10"18 с) [1, 46, 52-58].

Однако ограничение по длительности импульсов лазерного излучения периодом оптического поля, "фемтосекундный барьер", принципиально препятствует проникновению технологий оптического исследования и контроля в область процессов внутриатомной электронной динамики, происходящей на характерных масштабах в единицы и доли ангстрем и временах от единиц аттосекунд до единиц фемтосекунд [1, 45, 46, 54-59]. Естественно, долгий прогресс и решение огромного числа актуальных задач предваряют эпоху, в которую оптический контроль процессов микромира может достичь столь же высокого технологического уровня развития, какой характеризует

современную микроволновую электронику. Однако дальнейшая эволюция способов управления состоянием вещества на всё более и более элементарном уровне требует развития аттосекундной физики, основанной на использовании импульсов излучения длительностью в десятки и сотни (в перспективе - единицы) аттосекунд [1, 45, 46, 5459].

В современной оптике выделяются, пожалуй, пять в той или иной степени экспериментально проверенных способов генерации экстремально коротких импульсов, позволяющих сократить длительность относительно лучших современных лазерных источников и/или сконструировать электрические поля без гармонически-осциллирующего заполнения. Этими способами являются: (i) когерентное сложение экстремально коротких лазерных импульсов с сильно различающимися центральными длинами волн [60-65]; (ii) генерация суперконтинуума ультракоротким лазерным импульсом с последующим когерентным сложением спектральных составляющих [6674], в том числе генерация суперконтинуума с последующим его параметрическим усилением исходным импульсом, позволяющая сформировать экстремально короткие импульсы излучения холостой волны со стабилизированной фазой заполнения относительно огибающей [75, 76]; (iii) генерация экстремально широкого оптического спектра и когерентное сложение его составляющих за счёт вынужденного комбинационного рассеяния интенсивного лазерного излучения высокого порядка [7787]; (iv) генерация гармоник высокого порядка ионизирующего лазерного излучения в газах с последующим выделением определённой части спектра и/или подстройкой фаз спектральных составляющих [1, 45, 46, 54-58, 88-98]; (v) генерация гармоник высокого порядка релятивистски-сильного лазерного излучения при отражении от границы закритической (твёрдотельной) плазмы или при взаимодействии высокоинтенсивного излучения лазерного импульса с плазмой, образованной с поверхности твёрдого тела предвестником импульса, с последующей фильтрацией определённых составляющих спектра [1,59, 99-109].

Благодаря созданию источников электромагнитных импульсов аттосекундной длительности (прежде всего путём генерации гармоник высокого порядка (ГГВП) оптического излучения в газах) впервые стали возможными исследование и контроль электронной динамики в атомах [1, 45, 46, 54-58]. Вехами экспериментального исследования внутриатомных процессов стали: спектроскопия Оже-релаксации в атомах криптона с аттосекундным временным разрешением [110], измерение времени рекомбинации сопровождающей туннельную ионизацию оптического электрона в интенсивном лазерном поле [111], прямое измерение вибрационной динамики

моле�