Когерентные нелинейно-оптические взаимодействия в возбужденных и ионизированных средах в процессах преобразования частоты и четырехфотонной спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



9 9

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

хАКум ВАК Рос<

•А."

■•"-:■: "7Д0 степекь ДОК'ТОР А.

(^с^-СЬ^'^ тг,........,

На правах рукописи

Желтиков Алексей Михайлович

КОГЕРЕНТНЫЕ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ВОЗБУЖДЕННЫХ И ИОНИЗОВАННЫХ СРЕДАХ В ПРОЦЕССАХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ И ЧЕТЫРЕХФОТОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

01.04.21 - лазерная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант

Доктор физ.-мат. наук, профессор

Н.И. Коротеев

Москва - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 11

Глава 1. Обзор современных тенденций нелинейной оптики возбужденных и ионизованных газовых сред 44

1.1. Когерентное четырехволновое взаимодействие как метод спектроскопии возбужденных газов и плазмы 45

1.2. Основные схемы четырехволнового взаимодействия в возбужденных газах и плазме 50

1.2.1. Вырожденное четырехволновое взаимодействие 51

1.2.2. Четырехволновое взаимодействие с комбинационным резонансом 54

1.2.3. Четырехволновое взаимодействие с гиперкомбинационным резонансом 56

1.2.4. Генерация третьей гармоники 59

1.3. Нелинейно-оптическое преобразование частоты в возбужденных газах и низкотемпературной плазме 61

1.3.1. Генерация оптических гармоник в плотной горячей лазерной плазме 63

1.3.2. Эксперименты по генерации гармоник в струях инертных газов с использованием сверхкоротких лазерных импульсов 66

1.3.3. Генерация оптических гармоник и смешение частот в низкотемпературной лазерной плазме 72

1.4. Нелинейности возбужденных газов и низкотемпературной плазмы 83

1.4.1. Увеличение оптической нелинейности газовой среды в условиях заселения возбужденных связанных состояний атомов и ионов 83

1.4.2. Генерация гармоник в процессе рассеяния электрона на ионе: квантовые и классические модели 86

1.4.3. О некоторых эффектах, связанных со столкновительными нелинейностями плазмы 90

Основные выводы по главе 1 93

Глава 2. Анализ эффективности четырехволнового взаимодействия с резонансом гиперкомбинационного типа с учетом влияния фазовой расстройки и однофотонного поглощения 96

2.1. Эффекты фазового синхронизма при нелинейно-оптических взаимодействиях в возбужденных газах и плазме 98

2.2. Анализ эффектов фазового рассогласования и поглощения при когерентном четырехволновом взаимодействии 101

2.2.1. Основные соотношения 101

2.2.2. Режим жесткой фокусировки 103

2.3. Влияние эффектов фазовой расстройки и однофотонного поглощения на спектры четырехфотонного рассеяния в возбужденных и ионизованных газовых средах 104

2.3.1. Четырехфотонная спектроскопия связанных состояний атомов и ионов 104

2.3.2. Режим сильного поглощения 106

2.3.3. Когерентное четырехфотонное рассеяние с резонансом на частоте накачки 107

2.3.4. Четырехфотонное рассеяние с участием автоионизационных состояний 108

2.4. Интерференция резонансной и нерезонансной составляющих кубической восприимчивости 109

2.5. Результаты расчетов и обсуждение 110

2.6. Зависимость сигнала ЧВВ от концентрации резонансных частиц 120

2.6.1. Коэффициент поглощения и фазовая расстройка 121

2.6.2. Влияние параметров фокусировки 122

2.6.3. Оптимизация эффективности преобразования частоты

124

2.6.4. Влияние поглощения 126

2.7. Влияние изменения населенностей резонансных уровней на параметры сигнала когерентного четырехволнового взаимодействия 129

Основные результаты и выводы по главе 2 134

Глава 3. Экспериментальная техника для исследования нелинейно-оптических процессов в возбужденных и ионизованных газах 136

3.1. Основные принципы и элементы экспериментальной техники

137

3.2. Техника когерентной четырехфотонной спектроскопии 142

3.3. Пикосекундная лазерная система для исследования генерации гармоник и нелинейно-оптического смешения частоты в лазерной плазме 149

3.4. Экспериментальная техника для исследования нелинейно-оптических процессов высших порядков 158

3.5. Методика приготовления, лазерной плазмы 162 Основные результаты и выводы по главе 3 168

Глава 4. Когерентная четырехфотонная спектроскопия и эллипсометрия атомов и ионов 170

4.1. Четырехфотонная спектроскопия атомарной и ионной компонент лазерной плазмы 173

4.2. Четырехфотонная спектроскопия газоразрядной плазмы 188

4.3. Поляризационная четырехфотонная спектроскопия и когерентная эллипсометрия атомов и ионов 196

4.3.1. Поляризационные свойства сигнала когерентного ЧВВ из плазмы оптического пробоя 200

4.3.2. Разделение мнимой и действительной части кубической восприимчивости 206

4.3.3. Анализ близких и перекрывающихся спектральных линий 210

4.3.4. Поляризационное управление формой спектра ЧВВ 215

4.3.5. Измерение инвариантов тензора гиперкомбинационного рассеяния 217

4.4. Когерентная четырехфотонная спектроскопия автоионизационных состояний 221

Основные результаты и выводы по главе 4 226

Глава 5. Визуализация пространственного распределения атомной и ионной компонент плазмы методом когерентного четырехволнового взаимодействия 230

5.1. Эффекты фазового рассогласования и однофотонного поглощения 231

5.1.1. Основные соотношения 232

5.1.2. Характерные пространственные масштабы задачи 236

5.1.3. Экспериментальное исследование эффектов фазовой расстройки и поглощения при когерентном четырехволновом взаимодействии в лазерной плазме 240

5.1.4. Измерение поглощения 243

5.2. Когерентное ЧВВ в условиях флуктуации параметров среды и накачки 245

5.3. Поточечное построение двумерных изображений относительной населенности возбужденных состояний атомов и ионов в лазерной плазме 248

5.4. Двумерное отображение пространственного распределения атомов в лазерной плазме с помощью одномерного когерентного ЧВВ 252

5.4.1. Экспериментальная схема 252

5.4.2. Пространственное разрешение 258

5.4.3. Чувствительность одномерного ЧВВ 260

5.5. Перспективы нелинейно-оптических методов восстановления трехмерных распределений атомов и ионов в лазерной плазме

262

Основные результаты и выводы по главе 5 266

Глава 6. Генерация оптических гармоник и смешение частот в низкотемпературной лазерной плазме 269

6.1. Генерация второй и третьей гармоник в низкотемпературной лазерной плазме с использованием пикосекундных световых импульсов 269

6.2. Преобразование частоты лазерного излучения в плазме оптического пробоя за счет нелинейностей третьего и высших порядков 276

6.2.1. Экспериментальная схема 277

6.2.2. Классификация нелинейно-оптических процессов 278

6.2.3. Относительные и абсолютные эффективности процессов генерации гармоник и смешения частоты 279

6.2.4. Анализ временных зависимостей 280

6.2.5. Генерация третьей гармоники в схеме с накачкой излучением второй гармоники Ыс1:УАО лазера 284

6.2.6. Генерация гармоник четного порядка 284

6.2.7. Генерация суммарных частот 285

6.2.8. Генерация перестраиваемого излучения методом нелинейно-оптического смешения частоты 290

6.3. Эффекты фазового согласования 291

6.3.1. Методика экспериментов 292

6.3.2. Эффекты фазового согласования при генерации третьей гармоники 292

6.3.3. Эффекты фазового согласования при генерации пятой гармоники 295

6.3.4. Теоретический анализ фазового согласования при генерации гармоник и оптическом смешении частоты 298

6.3.4.1. Метод расчета интеграла фазового согласования 299

6.3.4.2. Дисперсионные свойства нелинейной среды 299

6.3.4.3. Анализ условий фазового согласования при генерации третьей гармоники 301

6.3.4.4. Эффекты фазового согласования при генерации пятой гармоники 304

6.3.4.5. Эффекты фазового согласования при нелинейно-оптическом смешении частот 306

6.4. Резонансы гиперкомбинационного типа как способ увеличения эффективности ЧВВ в лазерной плазме 310

6.5. Генерация третьей гармоники в плазме оптического пробоя воздуха в поле фемтосекундных лазерных импульсов с высокой частотой повторения 313

6.5.1. Генерация третьей гармоники в поле фемтосекундных импульсов с высокой частотой повторения 314

6.5.2. Генерация второй и третьей гармоник в лазерной плазме с использованием световых импульсов длительностью 80 фс: эффекты самовоздействия 317

6.5.2.1. Фемтосекундная установка для исследования генерации третьей гармоники 319

6.5.2.2. Эффективность генерации второй и третьей гармоник

321

6.5.2.3. Пространственное распределение интенсивности в световом пучке 321

6.5.2.4. Изменения в спектре основного излучения и третьей гармоники 323

6.5.2.5. Влияние самовоздействия света на эффективность генерации третьей гармоники 324

6.5.2.6. Качественный анализ картины самовоздействия фемтосекундных импульсов при генерации третьей гармоники в плазме оптического пробоя 328

6.6. Плазма оптического пробоя как источник когерентного коротковолнового излучения: новый подход к нелинейно-оптическому преобразования частоты лазерного излучения 334 Основные результаты и выводы по главе 6 337

Глава 7. Нелинейно-оптические методы формирования коротких импульсов когерентного излучения в средах с управляемыми дисперсионными и нелинейными свойствами 341

7.1. Методы управления линейными и нелинейными оптическими характеристиками низкотемпературной плазмы оптического пробоя, газовых сред в полых волноводах и фотонных кристаллов 343

7.2. Эффекты фазовой само- и кросс-модуляции при генерации третьей гармоники в полом волноводе 347

7.2.1. Техника полых волноводов в нелинейной оптике 348

7.2.2. Основные соотношения для генерации третьей гармоники в полом волноводе с учетом эффектов фазовой само- и кросс-модуляции 352

7.2.2.1. Решение уравнений для генерации третьей гармоники в полом волноводе в рамках приближения медленно меняющихся амплитуд 352

7.2.2.2. Оценка характерных пространственных масштабов

357

7.2.2.3. Случай совместного распространения импульсов накачки и третьей гармоники 358

7.2.3. Численное моделирование 362

7.2.4. Результаты расчетов и обсуждение 363

7.2.4.1. Фазовая кросс-модуляция при генерации третьей гармоники в отсутствие группового запаздывания 364

7.2.4.2. Фазовая кросс-модуляция при генерации третьей гармоники в условиях группового запаздывания импульсов накачки и третьей гармоники 371

7.2.5. Получение сверхкоротких импульсов за счет явления фазовой кросс-модуляции при четырехволновом взаимодействии в полом волноводе 379

7.3. Управление линейными и нелинейными оптическими характеристиками низкотемпературной плазмы оптического пробоя 381

7.4. Компрессия и управление параметрами световых импульсов в фотонных кристаллах 386

7.4.1. Фотонные кристаллы в лазерной физике и нелинейной оптике 387

7.4.2. Приближение второго порядка теории дисперсии для медленно меняющихся амплитуд 390

7.4.3. Численный анализ управления фазой и сжатия импульса в одномерных фотонных кристаллах 394

7.4.4. Компрессия импульсов в нелинейных ФЗЗ структурах

397

7.4.5. Предельная длительность импульса 400

7.4.6. Выбор материалов и геометрических параметров для ФК компрессоров 402

Основные результаты и выводы по главе 7 406

Заключение 409

Приложение 1. Модель временной эволюции оптических параметров плазмы оптического пробоя 424

Приложение 2. Использование методов поляризационной нелинейной оптики для оптимизации процессов записи и считывания информации в системах трехмерной оптической памяти 429

П2.1. Оптимизация двухчастотной оптической записи информации в фотохромных материалах на основе поляризационной зависимости сечения двухфотонного поглощения 429

П2.1.1. Системы трехмерной оптической памяти на основе фотохромных соединений 429

П2.1.2. Поляризационная зависимость сечения двухфотонного поглощения 431

П2.1.3. Экспериментальная техника 432

П2.1.4. Результаты и обсуждение: возможности оптимизации двухфотонной записи 435

П2.2. Локальное невозмущающее считывание информации в системах трехмерной памяти на основе оптического эффекта Керра 437

П2.2.1. Проблема чтения информации в устройствах трехмерной оптической памяти 437

П2.2.2. Исследование оптического эффекта Керра в фотохромных средах 438

П2.2.3. Основные преимущества оптического эффекта Керра как метода чтения информации в устройствах трехмерной оптической памяти 444

Приложение 3. О волноводном решении задачи Коротеева хиральной нелинейной оптики 450

Приложение 4. Фемтосекундная двухфотонная

фотополимеризация: метод изготовления оптических фотонных кристаллов с управляемым параметрами 455

Литература

461

ВВЕДЕНИЕ

Постоянно растущий интерес к исследованию когерентных нелинейно-оптических взаимодействий в возбужденных и ионизованных газовых сред неразрывно связан с основными тенденциями развития современной физики. Нелинейная оптика возбужденных газов и плазмы одновременно позволяет получить ответы на ряд фундаментальных вопросов физики взаимодействия излучения с веществом и обеспечивает богатым арсеналом средств для решения актуальных прикладных задач.

Среди основных фундаментальных проблем, решаемых в нелинейной оптике возбужденного и ионизованного газа, следует назвать задачи, связанные с исследованием взаимодействия атомарной системы со сверхсильным световым полем и изучением нелинейных процессов высокого порядка, во многих случаях требующие выхода за рамки применимости теории возмущений и демонстрирующие во многих ситуациях несостоятельность описания нелинейно-оптических явлений в терминах нелинейно-оптических восприимчивостей. При рассмотрении целого класса физических явлений это означает отказ от языка, привычного для классической нелинейной оптики [1-5].

Перечень прикладных направлений нелинейной оптики возбужденного и ионизованного газа также чрезвычайно широк. Он включает в себя количественный и качественный анализ газов и газовых смесей, исследование химических реакций в газовой фазе, диагностика пламен, измерение параметров газа в двигателях внутреннего сгорания, дистанционный локальный контроль температуры и плотности газовых смесей, исследование параметров плазмы и т.д. Существенный прогресс в этом направлении был достигнут благодаря усилиям С.А. Ахманова, A.M. Бродниковского, А.Ф. Бункина, С.М. Гладкова, М.Г. Каримова, Д.Н. Козлова, Н.И. Коротеева, В.Б. Морозова, М.В. Рычева, В.Н. Очкина, П.П. Пашинина, С.М. Першина, A.M. Прохорова, В.В.

Смирнова, В.Г. Тункина, В.И. Фабелинского, A.B. Федорова, Р.В. Хохлова и их коллег. Значительный вклад в разработку этого направления нелинейной спектроскопии внесли М. Alden, R. Byer, R. Chang, H.F. Doebele, T. Dreier, A. Eckbreth, P. Ewart, R. Farrow, R. Fantoni, D. Greenhalgh, P. Hering, W. Kiefer, R.B. Miles, J. Nibler,

G. Pichler, D. Rakestraw, J. Reintjes, Y.R. Shen, J.-P. Taran и их соавторы. Существенный прогресс в понимании нелинейно-оптических явлений в возбужденных и ионизованных газовых средах, представляющих собой основу схем когерентного преобразования частоты коротких световых импульсов, был достигнут благодаря фундаментальным работам в этой области A.B. Андреева, Ф.В. Бункина, В.М. Гордиенко, B.JI. Гинзбурга, Н.Б. Делоне, A.M. Дыхне, JI.B. Келдыша, В.П. Крайнова, О.Н. Крохина,

H.JI. Манакова, В.Т. Платоненко, В.П. Силина, М.В. Федорова.

Использование оптических нелинейностей возбужденных и

ионизованных газов для получения когерентного коротковолнового излучения с использованием современных средств лазерного эксперимента в последнее десятилетие привело к формированию пограничной области, в которой проблемы фундаментальной физики самым тесным образом переплетаются с актуальными приложениями, связанными, прежде всего, с разработкой новых схем генерации излучения, позволяющих получить параметры световых импульсов, которые не могут быть достигнуты с помощью имеющихся и проектируемых лазерных источников и нелинейно-оптических кристаллов.

Подобно тому, как перестраиваемые по частоте лазеры сообщили мощный импульс развитию нелинейной спектроскопии в начале 70-х [6], появление лазеров, способных генерировать мощные и короткие световые импульсы, радикальным образом изменило инструментарий нелинейной оптики, привело к открытию нового класса явлений, формированию нового круга задач и понятий и, в конечном счете, к новому пониманию определенных явлений в нелинейной оптике. Все эти процессы, характерные для

современной физики, сопровождаются неуклонным ростом интереса к нелинейной оптике газовых и ионизованных сред, так как именно в таких средах удается наблюдать многие из наиболее ярких эффектов физики сверхсильных полей. В свою очередь, развитие оптики сверхкоротких импульсов и понимание закономерностей сверхбыстрых процессов в веществе стимулировало создание устройств для управления параметрами, преобразования частоты и дальнейшего укорочения длительности световых импульсов на основе явлений нелинейной оптики.

В настоящее время усилия многих научных групп сосредоточены на исследовании нелинейно-оптических свойств возбужденных газовых и плазменных сред. В частности, плазма оптического пробоя активно изучается в связи с задачами исследования свойств возбужденных атомов и ионов в сильных световых полях, перспективами создания эффективных источников коротковолнового излучения и многочисленными приложениями лазерной плазмы. Высокие эффективн