Нелинейная динамика предельно коротких оптических импульсов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

СКОБЕЛЕВ Сергей Александрович

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ПРЕДЕЛЬНО КОРОТКИХ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

01 04 21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003060966

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г Нижний Новгород)

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат физико-математических наук А В Ким

доктор физико-математических наук А И Смирнов

доктор физико-математических наук Н Н Розанов

Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им М В Ломоносова

Защита состоится "£<Г " ЦиОиЛ 2007 г в час на за-

седании 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 " 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук " 41 Ю В Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертации

В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в генерации ультракоротких сверхсильных лазерных импульсов Этот прогресс связан с появлением в середине 80-х годов компактных твердотельных лазерных систем, использующих метод усиления частотно-модулированных импульсов [1,2]. Благодаря ультракороткой длительности генерируемого лазерного излучения, при относительно небольшом уровне энергии, содержащейся в лазерном импульсе, стало возможным получение беспрецедентно больших мощностей лазерных импульсов - тераваттного и петаваттного уровня [3]. Эти революционные достижения в технологии генерации лазерных импульсов усилили и в значительной степени обусловили интерес к вопросам их взаимодействия с веществом. Комбинация высоких интенсивностей с короткой длительностью делает взаимодействие таких импульсов с веществом уникальным Таким образом, одно из современных направлений в исследовании взаимодействия электромагнитного излучения с веществом связано с использованием все более коротких электромагнитных импульсов. Развитие оптических методов генерации и детектирования терагерцовых импульсов с использованием фотопроводников и нелинейных кристаллов [4,5] также стимулирует активный интерес к применению широкополосного излучения в фундаментальных и прикладных исследованиях [6,7]. Развивается и нелинейная оптика ат-тосекундных импульсов [8] Обсуждаются возможности эффективного ускорения зараженных частиц предельно короткими импульсами [10]. Имеется сообщение об экспериментальном наблюдении сверхдальнего распространения пространственно локализованного сгустка («электромагнитного снаряда») [11]. Проведены экспериментальные исследования пространственно-временной фокусировки сверхкоротких импульсов терагерцового излучения (наблюдение эффекта Гойя) [12], особенностей ионизации атомов из ридберговских состояний [13 15] Эффективно развивается томография биологических объектов [6].

В связи с этим возникает новая в теоретическом плане проблема исследования особенностей распространения сверхкоротких импульсов х конечной амплитуды, дифракции их в неоднородной среде и взаимодействия широкополосного излучения с веществом. Особенности теоретического описания пространственно-временной эволюции импульсов с шириной спектра порядка несущей частоты связаны с невозможностью применения традиционно используемой в теории волновых процессов приближения медленно меняющихся амплитуд для исследования дина-

мики системы Необходимо также и получение материальных уравнений, адекватно описывающих линейную и нелинейную дисперсию показателя преломления среды в широком диапазоне частот в области прозрачности [16,17]. Следует отметить, что сходные задачи, связанные с описанием заметного уширения спектра излучения, возникают и в композитных средах, например, в кластерной плазме, и при изучении такого уникального явления как сверхдальное распространение ионизирующего фемтосекундного лазерного излучения в атмосфере [18-20]

На пути решения этой проблемы используются несколько подходов Прежде всего следует отметить, что для исследования особенностей динамики сверхкоротких импульсов все чаще обращаются непосредственно к численному решению уравнений Максвелла Однако даже при использовании самых сверхмощных компьютеров удается проводить исследование лишь двумерных волновых полей на довольно ограниченной трассе распространения [21] Очевидно, что этого недостаточно для описания реальной ситуации самовоздействия полей, поскольку динамика процесса определяется конкуренцией эффектов дифракции и нелинейной рефракции и, следовательно, существенно зависит от размерности задачи

Наибольшее распространение получило обобщение приближенного метода медленно меняющейся огибающей, связанное с учетом зависимости групповой скорости от амплитуды волнового поля, линейной дисперсии среды (см. например [20,22,23]) В результате задача сводится к анализу уравнения для огибающей волнового пакета, которое иногда называют нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) высокого порядка Порядок определяется максимальной производной от показателя преломления среды по частоте, которую учитывают при получении уравнения.

Третий подход основан на рассмотрении безотражательного распространения импульса в однородной среде. Предполагается, что пространственно-временная структура волнового поля плавно меняется в процессе однонаправленного распространения импульса по трассе из-за дифракции и нелинейности среды, т.е в пренебрежении эффектами отражения [9,17]. В случае квазимонохроматического излучения такой подход, очевидно, соответствует переходу к уравнению для огибающей Учет конечной ширины спектра приводит к новым эффектам, которые проявляются в долговременной эволюции пространственно-ограниченного импульса формирование дифракционного предвестника, образование характерной подковообразной структуры и дублета в спектре волнового поля [9]

Проведенное выше обсуждение различных подходов к исследованию эволюции сверхкоротких импульсов позволяет выделить особо приближенное описание процессов в предположении плавного изменения волнового поля при его распространении в среде. Очевидно, что это приближение выполнено как для «видеоимпульсов», так и квазимонохроматических волновых пакетов В данной диссертации будет проведено развитие такого (третьего) подхода для исследования динамики самовоздействия широкополосного излучения в среде с нелинейностью керровского типа

Следует отметить, что в исследованиях динамики самовоздействия подобных волновых пакетов преобладающим является численное моделирование. В то же время весьма привлекательными представляются попытки аналитического исследования, позволяющие сформулировать некоторые общие выводы о динамике системы- В представленной работе, наряду с численным исследованием эволюции системы, развиты методы аналитического исследования

Целью данной работы является:

• аналитическое и численное исследование закономерностей нелинейной волновой динамики электромагнитного излучения, содержащего конечное число периодов поля;

• исследование новой схемы самокомпрессии фемтосекундных лазерных импульсов до предельно коротких длительностей на мил-лиджоульном уровне энергии с использованием ионизационной нелинейности.

Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные моменты:

1 Найден новый класс устойчивых уединенных решений волнового поля, описывающий распространение в нерезонансной среде соли-тоноподобных структур циркулярно-поляризованного излучения с произвольным числом осцилляций поля. Впервые показано, что найденные волновые солитоны с малым числом осцилляций поля устойчивы относительно парных взаимодействий. В результате соударений не происходит излучения свободных нолей, т. е несо-литонной части спектра, сохраняя тем самым общую энергию, заключенную в солитонах. Кроме того, солитоноподобная структура волновых полей не нарушается, т.е волновые солитоны остаются солитонами и после соударений

2. В среде с нелинейностью керровского типа и плазменным законом дисперсии показано, что произвольный оптический импульс распадается на найденные солитонные решения нелинейного волнового уравнения Впервые проанализировано влияние высокочастотной дисперсии на перестройку частоты и амплитуды волнового «солитона»

3. Впервые аналитически найден новый класс солитонных решений нелинейного волнового уравнения с нелинейностью степенного типа (РП1 ~ Е2т Е, где т - целое число) и волноводным законом дисперсии

4 Методы качественного исследования динамики самофокусировки квазимонохроматического излучения обобщены на случай волновых пакетов с длительностью несколько периодов колебаний поля

5. Использование преобразования автомодельного типа показало, что вблизи особенности дисперсионные эффекты ослабляются, и существенную роль играет нелинейная дисперсия среды (зависимость групповой скорости от амплитуды поля) Самофокусировка волнового поля сопровождается опрокидыванием продольного профиля импульса и в результате формируется особенность нового типа, в которой на фоне неограниченного роста поля происходит градиентная катастрофа Этот эффект приводит к аномальному уширению спектра излучения

6. Предложена простая модель ионизационной динамики мощных лазерных импульсов произвольной длительности в газонаполненных диэлектрических капиллярах. Впервые рассмотрена возможность возбуждения нелинейной моды в капилляре.

7 Впервые продемонстрировано самосжатие мощного ионизирующего фемтосекундного лазерного излучения вплоть до одного периода поля с энергией в импульсе свыше 1 мДж.

Научно-практическая значимость работы

Практическая ценность результатов состоит в том, что предложенные в работе новые схемы самосжатия фемтосекундных лазерных импульсов открывает перспективы для получения импульсов предельно короткой длительности без использования внешних устройств компрессии импульсов. Развитие методов аналитического исследования самовоздействия широкополосного излучения позволили более детально ис-

следовать картину нелинейной динамики электромагнитного излучения, содержащего конечное число периодов поля.

На защиту выносятся следующие положения:

• В средах с безынерционной нелинейностью керровского типа и с плазменным законом дисперсии существует новый класс точных уединенных решений, описывающий нелинейное распространение волновых импульсов с солитонной структурой огибающей, однако включающей лишь конечное число осцилляции поля Важной особенностью найденных волновых солитонов является полуограниченный спектр их допустимых решений, т.е наличие граничного решения, соответствующего предельному солитону с максимально допустимой энергией и минимальной возможной длительностью (менее одного периода колебаний), который может быть назван «видеосолитоном».

• В классе циркулярно-поляризованных полей волновые солитоны с малым числом колебаний сохраняют в парных соударениях свойства соударений шредингеровских солитонов относительно структуры своих огибающих, в то время как их частотные заполнения могут изменяться, однако в соответствие с сохранением солито-ноподобной структуры. В результате соударения не происходит излучения свободных полей, т. е несолитонной части спектра, сохраняя таким образом обилую энергию, заключенную в солитонах. Именно устойчивость относительно соударений и преемственная связь волновых солитонов с солитонами нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) позволяет рассматривать их в качестве базовых структур волнового поля, играющих такую же фундаментальную роль в динамике волновых процессов, как и солитоны НУШ.

• Применение методов теории нелинейных волн позволило провести аналитическое исследование долговременной эволюции трехмерных волновых пакетов в случае сверхкоротких электромагнитных импульсов. На основе уравнения для эффективной ширины волнового поля удается выделить класс начальных распределений, которые в дальнейшем испытывают коллапс.

• Преобразование уравнения в «схлопывающуюся систему координат позволило установить определяющую роль нелинейной дисперсии в динамике системы. Увеличение крутизны продольного профиля и образование ударных фронтов является характер-

ной особенностью эволюции сверхкоротких импульсов. Показано, что процесс <-<опрокидывания»несколъко опережает волновой коллапс В результате происходит формирование особенности более сложного типа, в которой градиентная катастрофа сопровождается неограниченным возрастанием поля на ударном фронте Этот эффект очевидно приводит к аномальному уширению спектра излучения. Как показывают результаты численного моделирования спектры спадают по степенному закону

• Использование ионизационной нелинейности дает возможность предложить схему самосжатия мощных фемтосекундных лазерных импульсов с длительностью вплоть до одного периода поля на миллиджоульном уровне энергии. Возбуждение нелинейной моды в капилляре и уширение спектра оптического импульса за счет нелинейного механизма фазовой самомодуляции, связанного с полевой ионизации газа, приводит к самокомпрессии исходных импульсов вплоть до одного оптического периода

Достоверность полученных результатов.

Разработанная теория удовлетворяет принципу соответствия, который включает известные уравнения эволюции огибающих сверхкоротких световых импульсов и результаты анализа пространственно-временной динамики огибающих, как частный случай, обобщая их на импульсы со сверхширокими временными и пространственными спектрами Мощь нового теоретического подхода подтверждена соответствием результатов численного моделирования эволюции системы

Публикации и апробация результатов

Основные результаты докладывались на Международной конференции по лазерной оптике bit. Conf on Laser Optics (С. Петербург, 2003 г. ), ежегодном международном совещании по лазерной физике LPHYS (Гамбург, Германия, 2003 г), Международном симпозиуме Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (Нижний Новгород, 2003), Ежегодном международном конгрессе по математическому моделированию VI Int Congress on Mathematical Modeling (Нижний Новгород, 2004), Международной конференции Сверхсильных полей в плазме 3-rd International Conference on Superstrong Field in Plasmas (Италия, 2005), Международном российско-германском совещании по лазерной физике RGLS-2005 (Нижний Новгород, 2005г), на научных семинарах ИПФ РАН Результат < Опрокидывание продольного профиля и образование ударных фронтов сверхкоротких лазерных имиульсов>приият в годовой отчет РАН (2006) Кроме того, полученные результаты неоднократ-

но рекомендовались в годичный отчет РАН - «Динамические свойства солитонов с малым числом колебаний поля и возможности предельной, основанной на солитонном механизме, компрессии сверхкоротких фем-тосекундных импульсов» (2005); «Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах» (2003).

По материалам диссертации опубликована 20 научных работ (список приведен на последних страницах ), в том числе б статей в научных журналах, 14 тезисов докладов на международных и отечественных конференциях. Еще несколько статей в настоящий момент подготавливаются к отправке в журналы.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка литературы Каждой главе предпослано небольшое вступление, в котором формулируется постановка задачи В заключении к главам сформулированы основные результаты, полученные в диссертации Материал диссертации изложен на 189 станицах, включая 54 рисунков, 1 таблицы и 100 литературных ссылок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и кратко, по главам, изложено содержание диссертации.

В первой главе дан анализ нового класса уединенных решений волнового поля, описывающий распространение в прозрачной нерезонансной среде солитоноподобных структур циркулярно-поляризованного оптического излучения, включающих конечное число периодов колебаний поля Особенностью этих решений является их плавная перестройка от солитонных решений НУШ, соответствующих длинным импульсам со многими осцилляциями, до предельно коротких, фактически однопери-одных видеоимпульсов. Показано, что найденные волновые солитоны с малым числом осцилляций поля устойчивы относительно парных взаимодействий В зависимости от абсолютной разности фаз полей имеют место три различных режима взаимодействия- прохождение одной структуры сквозь другую, их отталкивание, а также с точной репликацией одной исходной волновой структуры другой Рассмотрен вопрос устойчивости предельно коротких солитонов с учетом влияния высокочастотной дисперсии Рассмотрена реализуемость таких солитонных структур для поля с линейной поляризацией и численно показана их структурная устойчивость.

В разделе 1.1 выводится уравнение, описывающее распростране-

ние оптических импульсов с конечным числом осцилляций в изотропной нерезонансной среде с помощью стандартной методики восстановления эволюционного уравнения из дисперсионного соотношения, определяющегося зависимостью показателя преломления от частоты излучения В качестве основного физического механизма нелинейности рассматривается безынерционная керровская нелинейность показателя преломления. В качестве основных типов дисперсии могут рассматриваться дисперсия как нейтрального газа, так и ее ионизованной компоненты, плазмы В предположении безотражательного распространения электромагнитного излучения в среде волновое уравнение для амплитуды электрического поля Е в оптическом импульсе с произвольной поляризацией может быть записано в безразмерных переменных в виде

д_ дт

дЕ д „n д*Е

Tz

-Е (1)

Масштабная инвариантность (1), как и в случай НУП1, дает возможность описывать особенности динамики системы с помощью лишь только одного дисперсионного параметра Подбором параметра /л удается добиться хорошего согласия с экспериментальными данными например, для кварцевого стекла и благородных газов, такое согласие реализуется при изменении частоты на порядок [17] Уравнение (1) включает в себя минимально необходимое число слагаемых для учета дисперсионных и нелинейных эффектов, достаточное для полного описания многих прозрачных сред, и может рассматриваться в качестве базового уравнения при анализе динамики широкополосного оптического излучения в нерезонансной среде с безынерционной нелинейностью керровского типа.

Линейное дисперсионное соотношение для уравнения (1) имеет следующий вид

к(ш) = ficj3 - - (2)

w

Аномальная зависимость диспресии групповой скорости от частоты (cßk{io) /дю2 < 0) имеет место, когда спектр лазерного импульса целиком расположен левее точки нуля дисперсии шст = (3/i)"1/4. Эта часть дисперсионной кривой соответствует случаю, когда низкочастотная плазменная дисперсия, описываемая вторым слагаемым в правой части (2), доминирует над высокочастотной дисперсией нейтрального газа, описываемой первым слагаемым в (2) При этом частотная модуляция в лазерном импульсе, наводимая дисперсией среды, противоположна по знаку нелинейной частотной модуляции, что является физи-

ческой предпосылкой для существования солитоноподобных решений в уравнении (1).

В разделе 1.2 найден новый класс уединенных решений волнового поля с циркулярной поляризацией, когда основную роль в динамике волновых процессов играет низкочастотная («плазменная») дисперсия среды (ц = 0) Волновые солитоны уравнения (1) при pi — 0 можно представить двухпараметрическим семейством решений вида

E{z, т) = а(т - 7х) [ех cos ip{z, т) + еу sin ip(z, г)] , (За)

т—*yz

Г и>а2 (Зу — 2а2) (r + 7z) + J - 2 (7-а2)2 + W > (3b)

—оо

где ш - характерная несущая частота, 7 - параметр, определяющий групповую скорость солитона, tp0 - постоянная фаза поля. Огибающая а(т — 7z) подчиняется уравнению в обыкновенных производных, которое для нормированных величин ( = ш • (г — 7 z) н« = а/^/у в классе локализованных функций может быть представлена в виде квадратуры

1 - Ъг2

du = ±(c-Со), (4)

/ U-J5'2 - 5(и2)

«т

где

Е(и2) = и2 ■

2 ! 4 (1 — и2)2

(5)

ит - максимальная амплитуда солитона, определяемая действительным корнем кубичного уравнения — ё2 (за исключением одного предельного решения, для которого и2п = 2/3 при д2 = 1/8), Со - постоянная интегрирования, отвечающая положению максимума огибающей поля

Как видно из (4), его решения зависят лишь от параметра б2 — (7а/2)-1 — 1, являющегося комбинацией ш, 7 и располагающегося в интервале 0 < ё2 < 1/8. Используя малость параметра <52, можно представить амплитуду волнового солитона в виде

um~8J 2 1 + (6)

При малых амплитудах. -С 1 /3, соответствующих предельно малым 5, как легко видно, решения (4) имеют вид вес/г и отвечают НУШ со-

литонам огибающих. Отметим, что для предельно коротких длительностей, несмотря на широкий спектр сигнала, соизмеримый со средней частотой, из удобно рассматривать в качестве характерной несущей частоты, являющейся таковой в пределе малых амплитуд Важной особенностью рассматриваемых волновых солитонов является полуограниченный спектр их допустимых решений, т.е. наличие граничного решения, соответствующего предельному солитону с минимально возможной длительностью импульса и, соответственно, с максимально возможной амплитудой С увеличением S амплитуда солитона возрастает, а его длительность, определенная по полувысоте интенсивности, уменьшается, достигая минимально возможной величины при S2 = 1/8 и равной по сути менее периода колебаний rs — 2.3w-1 Следует также обратить внимание, что волновые солитоны с малым числом колебаний обладают достаточно сильной частотной модуляцией, не позволяющей ввести определенным образом фазовую скорость для таких структурных образований, что делает их заметно отличными от известных ранее волновых солитонов, для которых и несущая частота и несущий волновой вектор строго определяются По-видимому, именно соответствующим образом подобранный частотный чирп делает рассматриваемые волновые структуры более устойчивыми образованиями, которые достаточно легко могут быть сформированы заданием соответствующих начальных, локализованных распределений поля, даже применительно к случаю линейно-поляризованного поля, а также в рамках более общих уравнений, учитывающих, например, высокочастотную дисперсию, где они могут представлять собой лишь приближенные, слабозатухающие солитоноподобные решения

В разделе 1.3 путем численного моделирования нелинейной динамики оптического поля в среде с керровской нелинейностью показано, что волновые солитоны являются <абсолютно»устойчивыми образованиями относительно малых возмущений и могут распространятся без каких либо изменений на трассах z max {Lus, Lni), >'Де Аш

- дисперсионная длина, Ln¡ ~ Да?/ - нелинейная длина; ш* -

характерная, например центральная, частота в спектре импульса, До> -его спектральная ширина, а Ета% - максимальная амплитуда

В разделе 1.4 посредством численного моделирования динамики оптического циркулярно поляризованного поля в среде керровского типа показано, что найденные волновые солитоны с малым числом осцил-ляций поля устойчивы относительно парных взаимодействий В зависимости от абсолютной разности фаз полей имеют место три различных режима взаимодействия прохождение одной структуры сквозь другую,

их отталкивание, а также с точной репликацией одной исходной волновой структуры другой. Таким образом, в результате проведенных численных экспериментов по парным соударениям волновых солитонов могут быть сформулированы следующие положения, которые отражают определенные динамические свойства векторного волнового уравнения (1) при /и = 0 в классе циркулярно-поляризованных полей:

• В результате соударений еолитоноподобная структура волновых полей не нарушается, т. е. волновые солитоны остаются солигона-ми и после соударений.

• В результате соударений не происходит излучения свободных полей, т. е. несолитонной части спектра, сохраняя тем самым общую энергию, заключенную в солитонах

Вопрос устойчивости предельно коротких солитонов с учетом влияния высокочастотной дисперсии нейтрального газа рассмотрен в разделе 1.5 С учетом высокочастотной дисперсии дисперсия групповой скорости в рамках (1) может обращаться в ноль в случае, если несущая частота поля и>о = шсГ (см. (2)). При из < исг 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 (3) не существует. Показано, что предельно короткие солитоны устойчивы по отношению к влиянию высокочастотной дисперсии, если их спектр целиком расположен в области частот ш < и>сг В противном случае происходит их постепенное разрушение за счет параметрического четырехволнового взаимодействия с собственными волнами среды с со > изсг

На основании исследования устойчивости, а также преемственной связи найденных волновых солитонов с солитонами нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) высказано предположение, что они могут играть такую же фундаментальную роль в общей нелинейной динамике рассматриваемых волновых полей

В разделе 1.6 на основе численного моделирования динамики циркулярно-поляризованного волнового поля в керровской среде показано, что короткий оптический импульс распадается на солитоны с малым числом колебаний Предложен алгоритм для генерации солитонов с предельно короткой длительностью А также исследованы возможности предельной компрессии, основанной на солитонном механизме,

1 Высокочастотная дисперсия делает возможным выполнение условий фазового синхронизма для такого параметрического процесса

сверхкоротких фемтосекундных импульсов В частности, посредством численного моделирования показано, что найденные решения проявляют себя основными элементарными составляющими в таком динамическом процессе как временная компрессия первоначально широкого импульса до весьма малых длительностей. При этом предельная степень компрессии определяется солитонными структурами с длительностями, близкими к минимально возможной

В разделе 1.7 проведено обобщение солитонных структур волнового уравнения на случай с произвольной степенной нелинейностью.

(7)

Была установлена связь полученных решений с хорошо известными со-литонами огибающей, существующими в рамках нелинейного уравнения Шредингера с нелинейностью более высокого порядка.

Во второй главе приведены результаты исследования структурных особенностей динамики самофокусировки импульсов с шириной спектра порядка центральной частоты Описание процессов проведено в предположении безотражательного распространения волнового поля произвольной длительности в диспергирующей среде с кубичной нелинейностью Развиты методы качественного исследования динамики самовоздействия сверхкоротких импульсов В частности, методом моментов найдено достаточное условие коллапса в системе Использование преобразования автомодельного типа выявило определяющую роль нелинейной дисперсии среды (зависимость групповой скорости от амплитуды поля). Самофокусировка волнового поля сопровождается опрокидыванием продольного профиля импульса и в результате формируется особенность нового типа, в которой на фоне неограниченного роста поля происходит градиентная катастрофа Численное исследование подтверждает, что самофокусировка сверхкоротких импульсов, как правило, сопровождается укручением продольного распределения и формированием ударных фронтов. Показано формирование степенных спектров, характерных для градиентной катастрофы распределения поля.

В разделе 2.1 выведено уравнение, описывающие динамику самовоздействия широкополосного линейно поляризованного волнового поля в среде с фокусирующей нелинейностью в параксиальном приближении

9 (Ои п ,ди ,д3и д2и\ .

Координаты обезразмерены на соответствующие характерные пространственные и временные масштабы задачи, поле и - на характер-

ное нелинейное поле. Параметры о > О, Ь > 0 характеризуют, соответственно, низкочастотную (плазменную) и высокочастотную дисперсию среды, 7 > 0 определяет диссипацию поля.

Уравнение (8) включает в себя минимальное необходимое число слагаемых для учета дисперсионных и нелинейных эффектов, достаточное для полного описания многих прозрачных сред, и может рассматриваться в качестве фундаментального уравнения при анализе динамики широкополосного оптического излучения в нерезонансной среде с безынерционной нелинейностью керровского типа

В разделе, 2.2 методы качественного исследования динамики самофокусировки квазимонохроматического излучения обобщены на случай волновых пакетов длительностью несколько периодов колебаний поля в консервативном случае (в уравнении (8) 7 = 0) В частности, методом моментов получены достаточное условие коллапса и ряд других интегральных соотношений. Соответствующее уравнение для изменения характерного поперечного размера сгустка имеет вид :

I = *Н + 81 / (ЬФ2гг ~ аФ2) ¿гйгу , (9)

га — оо

где ф - потенциал поля и = фт, I - энергия в электромагнитном импульсе, Н - гамильтониан :

+ оо

I = I У ф2т(1т(1гх , (Юа)

г А -оо

+оо

н

7>Х —СЮ

(У±ф)9 -Ь4?гг-±ф*+а4?

¿т<кч_ . (10Ь)

В отсутствие низкочастотной дисперсии (а — 0) уравнение такого типа получено ранее в [24] Видно, что для среды без дисперсии (а = 6 = 0) правая часть (9) пропорциональна гамильтониану системы (10Ь) и, таким образом, распределения волнового поля с отрицательным гамильтонианом [Н < 0) схлоиываются в поперечном направлении на конечной трассе распространения Этот вывод остается в силе и для распределений поля, спектр которых локализован преимущественно в области аномальной дисперсии групповой скорости (Ь —> 0). В остальных случаях (9) указывает на возможность первоначального обужения поперечного распределения поля.

Полученные соотношения позволяют расклассифицировать начальные распределения волнового поля по типу первоначального поведения— уменьшения характерного поперечного размера или увеличение. В дальнейшем будем рассматривать, в основном, распределения, характерный поперечный размер которых на начальном этапе эволюции системы уменьшается. Для таких распределений поля правая часть уравнения (9) меньше нуля.

Нам удалось обобщить линзовое преобразование [25] на случай широкополосного излучения. Преобразование на случай импульсов произвольной длительности имеет вид

« = ~уГ(с,1?,0Ь (Ц)

где новые переменные

<12)

а функция р(г) описывает как изменение поперечного размера поля, так и перенос точки нелинейного фокуса г — го на бесконечность. Такое представление решения уравнения (8) учитывает два процесса в системе: самофокусировку излучения и образование характерной «подко-вообразной»структуры распределения поля, определяемой переменной в

В результате преобразования приходим к следующему уравнению

¥в{дс+зт м—Г* м)~р М{ь№-аГ)~А±г> (13)

Преобразование в «коллапсирующую»систему координат позволяет, как и в случае квазимонохроматического излучения, «отделить»про-цесс самофокусировки в системе и свести задачу к исследованию квазиодномерной продольной эволюции импульса. Характерный поперечный масштаб квазиволноводной структуры в новых переменных порядка единицы Темп самосжатия р(г) определяет уровень ослабления дисперсионных эффектов при коллапсе {р{г) —► 0) Таким образом, по крайней мере на начальном этапе эволюции системы укручение продольного профиля поля становится основным эффектом Более того, в этом режиме самовоздействия задачу в приближении нелинейной геометрической оптики (А±Т ~ 0) удается свести к квазиодномерной Для простоты рассмотрим сначала случай среды без дисперсии а — Ь~ 0:

дС+ дв 4 п дв -и (14)

Для описания процессов в приосевой области (г/ ~ 0) аппроксимируем поперечное распределение поля в виде

Г* 5 (С, • (15)

Здесь мы предположили, что характерный масштаб квазиволноводной структуры в новых переменных равен единице Подставляя (15) в (14) и приравнивая нулю коэффициенты перед г}° и г)2, найдем для Е ж р

^ + 3-^0, (16а)

<Ро Е2

= <1вь>

При получении уравнений (16Ь) проведено усреднение Б2 по длительности импульса Т (Е2 = у / Е2йв), так как характерный масштаб поля р(г) является по предположению функцией только

В рассматриваемых условиях (среды без дисперсии) уравнения (9) и (16Ь) дают одинаковый закон изменения ширины пучка в процессе самофокусировки. В частности, вблизи от го для коллимированного волнового поля (р?,(2 = 0) = 0) имеем

(17)

где ро - начальный размер пучка Координату точки фокуса также можно определить через интегралы задачи

(18)

Уравнение (16а) описывает опрокидывание продольного профиля и образование ударной волны. Этот процесс определяется амплитудой поля и происходит при конечном т.е. опережает коллапс волнового поля Решения уравнения (16а) детально исследованы в гидродинамике [26]. В приложении к рассматриваемому нами волновому полю можно сделать следующие выводы. Процесс укручения продольного профиля приводит к градиентной катастрофе Образование ударной волны сопровождается диссипацией поля на фронте В случае слабой ударной волны уменьшение интенсивности за точкой опрокидывания происходит в соответствии с «правилом площадей»по закону [26]

Однако, несмотря на неустранимую диссипацию в системе, поведение ширины пучка (16Ь) в области нелинейного фокуса (г ~ го) остается прежним и удовлетворяет соотношению (17)

В разделе 2.3.1 путем численного моделирования нелинейной динамики линейно поляризованного излучения (на основе уравнения (8)) показано, что процесс схлопывания протекает без заметного изменения амнлитуды. Для качественного исследования процессов в рамках нашего подхода были использованы уравнения (16а)-(16Ь) для определения закона изменения амплитуды и размера пучка в процессе самофокусировки:

/

Ф)

г->го

у/— г

\

1п ___

V чДо -2 /

Р(*)

(20)

г—»го

Соотношения (20) подтверждены результатами численного моделирования.

В разделе 2.3.2 приведено обобщение качественного исследования для волнового поля с круговой поляризацией Преобразование уравнения в «схлопывающуюся систему координат»позволило установить определяющую роль нелинейной дисперсии (зависимости групповой скорости волнового пакета от амплитуды) в динамике системы Качественное исследование дает возможность получить соответствующие законы изменения амплитуды и ширины волнового пучка типа (20). Укручение продольного профиля и образование ударных фронтов является характерной особенностью эволюции сверхкоротких импульсов. Показано, что процесс «опрокидывания»несколько опережает волновой коллапс

гв — 20

1 - ехр I —2ро

|Я| г0

(21)

где гв - длина опрокидывания, р0 - начальный размер пучка, го -длительность импульса Это означает, возможность образования более сложной особенности поля, в которой градиентная катастрофа сопровождается неограниченным возрастанием поля на ударном фронте.

Для исследования тонких деталей динамики системы был проведен анализ спектра ноля. В случае сред без дисперсии спектр поля при больших частотах носит степенной характер 1/и>), что соответствует градиентной катастрофе При этом для стабилизации коллапса ока-

зьгеается достаточно лишь «линейной>диссипации на фронте ударной волны

В разделе 2.4 исследовано влияние дисперсии на процесс самофокусировки циркулярно поляризованного волнового поля. Показано, что в среде с низкочастотной дисперсией (аномальный закон дисперсии групповой скорости) эволюция системы протекает по тому же сценарию, что и в среде без дисперсии Спектр поля при больших частотах носит степенной характер ~ 1 /о>3/2. Соответствующая временная зависимость и ~ у/т характеризуется бесконечной производной при г — 0. В приложении к рассматриваемому случаю это означает, что низкочастотная дисперсия не может полностью предотвратить градиентную катастрофу, но модифицирует структуру поля в переходной области.

В среде с нормальным законом дисперсии групповой скорости ситуация напоминает процессы в случае квазимонохроматического излучения (развитие неустойчивости дробления импульса пополам и т д.) [27] Несмотря на образование довольно крутых фронтов, спектр волнового поля спадает гораздо более быстро (по экспоненциальному закону). Это можно объяснить тем, что в приосевой области динамика самовоздействия описывается модифицированным уравнением КдВ. В этом случае возможность стабилизации укручения хорошо известна.

В третьей главе 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 самокомпрессии лазерных импульсов на уровне энергии свыше 1 мДж

В разделе 3.1 представлена структура «холодных»мод диэлектрического капилляра.

В разделе 3.2 приведена система, уравнений описывающая пространственно-временную эволюцию поля при распространении мощного лазерного излучения при ионизации газа в диэлектрическом капил-

ляре. Она имеет вид.

""■»-^•и-ФНИ) • (2&»

дЕ дг

дЕ a

= -а— , а — 47Г-Г , (22d)

r=1 от A ew +1

где шро - плазменная частота, а - радиус капилляра, Л - длина волны излучения, ew - диэлектрическая проницаемость стенки, W(|i£|) - вероятность ионизации атома в единицу времени, и)а - атомная частота, шо - частота излучения

В разделе 3.3 по аналогии со случаем квазимонохроматических пакетов был применен метод моментов для качественного исследования эволюции системы Получены выражение для изменения энергии в импульсе и выражение для изменения спектральных характеристик для оптического импульса Кроме того получена оценка на одномодовый режим распространения излучения в капилляре. 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-

JL^H1 _

Ncr ^ NCT (fcoа)2 ' ( )

где Ncr - критическая плотность, определяемая условием Шро = «п = 2.405 и и\2 = 5 52 - первый и второй нули функции Бесселя нулевого порядка. Так, для длины волны Ао = 0.8 мкм и диаметра капилляра 150 мкм оценка концентрации плазмы, при которой нарушается одномодовый режим распространения излучения в капилляре, дает N < 1.2 1017 см-3, что при полной однократной ионизации соответствует давлению нейтрального газа 3.5 Topp

В разделе 3.4 приведены результаты численного моделирования динамики импульса в капилляре при N < N* (23) Продемонстрировано, что в этом случае преобладает квазиодномодовый режим распространения излучения. Проведено исследование структуры спектра выходного излучения в зависимости от начальной энергии в импульсе и давления

В разделе 3.5 проведено исследование энергетической эффективности прохождения излучения через капилляр, пространственной структуры излучения на выходе капилляра и структуры спектра выходного излучения (при N > И* (23)). Определены зависимости ширины и величины сдвига центра масс спектра от энергии лазерных импульсов, давления газа Получено значительное увеличение ширины спектра лазерных импульсов (почти на порядок), сопровождающееся сдвигом центра масс спектра 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 возможно получение больших ширин спектра сопоставимых с несущей частотой с хорошей однородностью пространственного распределения спектральной энергии

Показана возможность получения однородного плазменного канала в диэлектрических капиллярах при высоких давлениях Произведена теоретическая оценка минимальной амплитуды поля, при котором образуется однородный плазменный канал, в зависимости от давления газа, заполняющего капилляр

Путем численного моделирования показано, что образование плазменного канала не приводит к увеличению эффективности прохождения излучения При высоких давлениях эффективность транспортировки мощного лазерного излучения падает существенно по сравнению с вакуумным капилляром из-за сильной рефракции излучения на образовавшейся плазме

Проведено детальное исследование самосжатия электромагнитного излучения в капилляре Продемонстрирована временная самокомпрессия выходных импульсов в плоть до одного оптического периода (2.6 фс) Возбуждение нелинейной моды в капилляре и уширение спектра оптического импульса за счет нелинейного механизма фазовой самомодуляции, обусловленного полевой ионизации газа приводит к тому, что ионизационный импульс по мере распространения в диэлектрическом капилляре самокомпрессируется

В заключении сформулированы основные результаты работы

Основные результаты работы

1 Найден новый класс уединенных решений волнового поля, описывающий распространение в прозрачной нерезонансной среде со-литоноподобиых структур циркулярно-поляризованного оптиче-

ского излучения, включающих конечное число периодов колебаний поля. Особенностью этих решений является их плавная перестройка от солитонных решений НУШ, соответствующих длинным импульсам со многими осцилляциями, до предельно коротких, фактически однопериодных видеоимпульсов Важной особенностью рассматриваемых волновых солитонов является полуограниченный спектр их допустимых решений, т. е. наличие граничного решения, соответствующего предельному солитону с минимально возможной длительностью импульса и, соответственно, с максимально возможной амплитудой.

2 Путем численного моделирования динамики оптического циркулярно-поляризованного поля в среде керровского типа показано, что парным соударениям волновых солитонов с малым числом осцилляций поля относительно их энергетических характеристик присущи свойства соударений шредингеровских солитонов, а соответствующие им спектральные характеристики изменяются в соответствие с сохранением солитоноподобной структуры огибающей. В зависимости от абсолютной разности фаз полей имеют место три различных режима взаимодействия, прохождения одной структуры сквозь другую, их отталкивания, а также с точной репликацией одной исходной волновой структуры другой.

3. Показано, что произвольный оптический импульс, распространяющийся в среде с нелинейностью керровского типа и плазменным законом дисперсии, распадается на найденные волновые структуры нелинейного волнового уравнения. Предложен алгоритм для генерации солитонов с предельно короткой длительностью Проанализировано влияние высокочастотной дисперсии на перестройку частоты и амплитуды волнового «солитона».

4. Исследованы структурные особенности динамики самофокусировки импульсов с шириной спектра порядка центральной частоты Описание процессов проведено в предположении безотражательного распространения волнового поля произвольной длительности в диспергирующей среде с кубичной нелинейностью. Методы качественного исследования динамики самофокусировки квазимонохроматического излучения обобщены на случай волновых пакетов с длительностью несколько периодов колебаний поля В частности, методом моментов найдено достаточное условие коллапса в системе Использование преобразования автомодельного типа выявило определяющую роль нелинейной дисперсии среды.

5 Использование преобразования автомодельного типа показало, что вблизи особенности (в области неограниченного нарастания поля) дисперсионные эффекты ослабляются, и существенную роль играет нелинейная дисперсия среды (зависимость групповой скорости от амплитуды поля) Самофокусировка волнового поля сопровождается опрокидыванием продольного профиля импульса и в результате формируется особенность нового типа, в которой на фоне неограниченного роста поля происходит градиентная катастрофа. Численное исследование подтверждает, что самофокусировка сверхкоротких импульсов, как правило, сопровождается укручением продольного распределения и формированием ударных фронтов.

6 Показано, что при самофокусировке сверхкоротких лазерных импульсов в диспергирующей нелинейной среде реализуется опережающий процесс опрокидывания продольного профиля импульса и образование ударных фронтов. Этот эффект приводит к аномальному уширению спектра излучения Для исследования тонких деталей динамики системы был проведен анализ спектра поля В случае сред без дисперсии и сред с аномальной дисперсией спектр поля при больших частотах носит степенной характер, что соответствует градиентной катастрофе. При этом для стабилизации коллапса достаточно «линейной»диссипации на фронте ударной волны. В среде с нормальной дисперсией групповой скорости отсутствие столь сильной диссипации приводило к необходимости учета обычно используемых в случае коллапса механизмов стабилизации самофокусировки (нелинейного поглощения и насыщения нелинейности).

7. Предложена простая модель ионизационной динамики мощных лазерных импульсов произвольной длительности в газонаполненных диэлектрических капиллярах Определены зависимости ширины и величины сдвига центра масс спектра от энергии лазерных импульсов, давления газа. Рассмотрена возможность возбуждения нелинейной моды в капилляре.

8 Продемонстрирована временная самокомпрессия мощного ионизирующего фемтосекундного лазерного излучения вплоть до одного периода поля с энергией в импульсе свыше 1 мДж

Список литературы

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

[2] G. Mourou The ultrahigh-peak power laser- present time and future. Appl. Phys. B, 65, p.205, 1997

[3] S W Bahk, V. Chvykov, G. Kalintchenko, A Maksimchuk, G. A. Mourou, N. Saleh, and V. Yanovsky. Generation, amplitude and phase characterization of 1021 W/cm2 intensity. Ultrafast Optics IV, 95, Springer Series in Optical Sciences, F. Krausz, G. Korn, P. Corcum, and I. A. Walmsley, Springer-Verlag, Berlin, p.331, 2004

[4] Zhiping Jiang and X ~C. Zhang, Free-Space Electro-Optic Technologies, THz Sensing and Imaging Technology, Spring, New York, 2001. Qin Chen and X -C Zhang, in Ultrafast Laser: Technology and Applications, Ed by M.E Fermann, A. Galvanauskas, and G Sucha, Marcel Dekker, New York, 2003

[5] R.A. Cheville and D Gnchkowsky. Time domain terahertz impulse ranging studies Appl. Phys. Lett 67, 1960-1962 (1985), K. Wynne and D.A Jaroszynski Superluminal terahertz pulses Opt Lett 24, 25-27 (1999)

[6] S. Wangand X-C Zhang J. Phys D Appl Phys 37, 1 (2004)

[7] P. Rairoux, M Schilingen, S Niedermeier et al Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses Appl Phys В 71,573(2000)

[8] А В Ким, М.Ю Рябикин, A M. Сергеев. От фемтосекундных к аттосекундным импульсам УФН, 169, №1, 58 (1999); Р.М Paul, Е S. Toma, P. Breger et al. Observation of a "Drain of Attosecond Pulses from High Harmonic Generation Science, 292, 1689 (2001), R Kienberger, E. Goulielmakis, M Uiberacker et al. Atomic transient recorder Nature, 427, 817 (2004); R. Lopez-Martens, К Varju, P. Johnsson et al Amplitude and Phase Control of Attosecond Light Pulses, Phys Rev Lett., 94, 033001 (2005)

[9] Э.М. Беленов, А В Назарин Нестационарные дифракционные эффекты при распространении сгустка электромагнитного поля в вакууме. Письма в ЖЭТФ 53, 188-191 (1991), В.А. Миронов ЖЭТФ

116, 35 (1999); А А. Балакин, В.А Миронов. Динамика самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов Письма в ЖЭТФ, 75, 741-745 (2002)

[10] В. Rau, Т Tajima and Н. Hojo Coherent Electron Acceleration by Subcycle Laser Pulses Phys. Rev. Lett 78, 3310 (1997)

[11] H M Shen, SPIE 873, 338 (1988)

[12] R Lindner, G.G Paulus, H Walther et al Gouy Phase Shift for Few-Cycle Laser Pulses. Phys Rev Lett. 92, 113001 (2004)

[13] T J Bensky, G Haeftler, R R Jones. Ionization of Na Rydberg Atoms by Subpicosecond Quarter-Cycle Circularly Polarized Pulses. Phys Rev. Lett 79, 2018 (1997)

[14] С Raman, C.W S. Conover, С I Sukenik et al Ionization of Rydberg Wave Packets by Subpicosecond, Half-Cycle Electromagnetic Pulses. Phys. Rev Lett 76, 2436 (1996)

[15] T.J. Bensky, M В Campbell, R R. Jones. Half-Cycle Pulse Assisted Electron-Ion Recombination Phys. Rev. Lett. 81, 3112 (1998)

[16] С. Келих, Молекулярная нелинейная оптика, М. Наука 1981

[17] С А. Козлов, С В Сазонов ЖЭТФ 111, 404 (1997); А N Berkovsky, S A Kozlov, Y. A Shpolyansky Self-focusing of few-cycle light pulses in dielectric media Phys Rev A, 72, 043821 (2005)

[18] D Anderson, A V. Kim, M. Lisak, V.A. Mironov, A.M Sergeev, and L. Stenflo Self-sustained plasma waveguide structures produced by ionizing laser radiation in dense gas. Phys Rev E, 52, №4,4564 (1995)

[19] A. Braun, G. Korn, X Liu et al. Self-channelmg of high-peak-power femtosecond laser pulses in air. Opt. Lett 20, 73 (1995), ETJ Nibbering, PF Curley, G. Gnllion et al Conical emission from self-guided femtosecond pulses m air Opt Lett. 21, 62 (1996)

[20] В.П Кандидов, И С Голубцов, О Г Косорева Источники суперконтинуума в мощном фемтосекундном лазерном импульсе при распространении в жидкости и газе. К Э 34, 348 (2004), L. Berge, S Scupin, F. Lederer et al Multiple Filamentation of Terawatt Laser Pulses in Air Phys Rev Lett. 92, 225002 (2004)

[21] P.M. Goorjian and Y. Silberberg. Numerical simulations of light bullets using the full-vector time-dependent nonlinear Maxwell equations. J Opt. Soc. Am В 14, 3253 (1997)

[22] H.A. Жарова, А.Г Литвак, В.А Миронов йзв ВУЗов Радиофизика 46, 331 (2003)

[23] Е.М. Громов, В.И. Таланов, Изв. ВУЗов Радиофизика 39, 735 (1996), ЖЭТФ 110, 137 (1996)

[24] С К. Турицын, Г.Е Фалькович ЖЭТФ 89, 258 (1985), В. С Львов Нелинейные спиновые волны, М. Наука, 1987

[25] С. H Власов, В И Таланов Самофокусировка волн H Новгород: ИПФ РАН (1997)

[26] Л Д Ландау, Е.М Лифшиц, Гидродинамика, M Наука, 1986

[27] H А Жарова, А Г Литвак, Т.А. Петрова и др. О множественном дроблении волновых структур в нелинейной среде. Письма в ЖЭТФ, 44, вып. 1, 12-15 (1986)

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

[1А ] Д. В Карташов, А В. Ким, С. А Скобелев. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах- от солитонов огибающей к видеосолитонам Изв ВУЗов Радиофизика, 46, №5-6, с.415-428 (2003)

[2А 3 Д- В Карташов, А. В. Ким, С А. Скобелев Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах Письма в ЖЭТФ, 78, №5, с 722-726 (2003).

[ЗА ] С А Скобелев, А. В Ким. О динамических свойствах «упру-гих»взаимодействий волновых солитонов с малым числом осцилля-ций поля. Письма в ЖЭТФ, 80, №10, с 727-731 (2004)

[4А ] А. Г. Литвак, В. А. Миронов, С. А. Скобелев Динамика самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов Письма в ЖЭТФ, 82, №3, с 119 -123 (2005).

[5А ] А А. Валакин. А Г. Литвак, В А Миронов, С А Скобелев. Структурные особенности динамики самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов. ЖЭТФ, 131, вып 3, с 408-424 (2007)

[6А ] S. A Skobelev, V A Mnonov, A. G Litvak, and A. A. Balakin Self-focusing dynamics of few optical cycle pulses In Superstrong Fields tn Plasmas 3rd International Conference on Superstrong Fields in Plasmas (Maunzw Lontano and Dvmitri Batam, eds.) AIP Conf Proc., V 827, p. 94-99 (2006)

[7A ] А В Ким, С. А. Скобелев, M. О, Шуралёв. Солитонные структуры волнового поля с конечным числом колебаний в средах с керровской нелинейностью: от солитонов огибающей к видеосолитонам. Труды (девятой) научной конференции по радиофизике <Факультет - ровесник Победы», 7 мая 2005 г (ред А.В Якимов) Н. Новгород. ТА-ЛАМ, 2005, с 23-24

[8А ] D. V. Kartashov, S A. Skobelev, and А. V. Kim. Pulse compression and solitons formation in the capillary with gas-plasma mixture. Techntcal Digest of XI Int. Conf on Laser Optics, St Petersburg,Russia, June 30 - July 4, 2003. Paper WeR5-20

[9A ] D V. Kartashov and S A Skobelev. Pulse compression due to self-action and wave breaking in the capillary with gas-plasma mixture Technical Digest of II Int. Conf on Laser Optics for Young Scientists (LOYS-2003), St. Petersburg, Russia, June 30 - July 4, 2003. Paper WeS2-P08

[10A ] D. V Kartashov, S. A Skobelev, and A V Kim. New pulse compression technique for few-optical-cycle pulse generation Book of Abstracts of 12-th Int Laser Physics Workshop (LPHYS'03% Hamburg, Germany, August 25-29, 2003, p 262.

[11A ] S. A Skobelev, D V. Kartashov, and A V Kim Few-optical-cycle solitons in nonresonance media dynamics and stability Book of Abstracts of 12-th Int. Laser Physics Workshop (LPHYS'03), Hamburg, Germany, August 25-29, 2003, p. 301

[12A ] S A. Skobelev, D V. Kartashov, and A. V Kim Stability and dynamics of few-optical-cycle solitons m nonresonant media. Proc. of Int. Symposium « Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (NWP-2003), Nizhny Novgorod, Russia, September 6-12, 2003 (NWP-2 High-field Physics and Ultrafast Nonhnear Phenomena, ed by Alexander M. Sergeev), p. 185-186

[13A ] D V. Kartashov, S A Skobelev, and A V Kim Few-optical-cycle solitons in non-resonant media Proc of Int. Symposium « Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (NWP-2003), Nizhny Novgorod, Russia, September 6-12, 2003 (NWP-2 High-field Physics and Ultrafast

Nonlinear Phenomena, ed. by Alexander M. Sergeev), p. 249-250.

[14A ] Д В. Карташов, А В Ким, С. А. Скобелев. Солитонные структуры волнового поля с конечным числом колебаний в нерезонансных средах, от солитонов огибающей к видеосолитонам. Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XII научная школа «Нелинейные волны-2004»), Н Новгород, 29 февраля - 7 марта 2004 г с. 60-61

[15А ] С. А. Скобелев. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах* от солитонов огибающей к видеосолитонам. Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XII научная школа «Нелинейные волны-2004»), Н Новгород, 29 февраля - 7 марта 2004 г. с 102.

[16А ] S. A Skobelev, D V Kartashov, and А. V Kim. Soliton structures of a wave field with an arbitrary number of oscillations m nonresonance media- from envelope solitons toward videosolitons. Book of Abstracts of VI Int Congress on Mathematical Modeling, Nizhny Novgorod, Russia, September 20-26, 2004, p. 172.

[37A ] AV. Kim, D I. Kulagin, S A. Skobelev, AN Stepanov Iomzation-mduced spectrum transformation and ultrashort pulse self-compression Techmcal Digest of XX-th Int Conf on Coherent and Nonhnear Optics (ICONO'2007) Mmsk, Belarus, May 28 - July 1, 2007

[] 8A ] A G. Litvak, V A. Mironov, S. A. Skobelev «Self-focusing dynamics of few optical cycle pulses» Book of Abstracts of 3-rd International Conference on Superstrong Field m Plasmas, Villa Monastero, Varenna, Italy, September 19-24, 2005.

[19A ] S Skobelev. Spatio-temporal self-action of few-opticai-cycle electromagnetic pulses in nonresonant media Proc of Russian-German Laser Symposium (RGLS-2005), Nizhny Novgorod, Russia, October 1-7, 2005.

[20A ] С. А. Скобелев Динамика самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XIII научная школа «Нелинейные волны-2006»), Н Новгород, 1 марта - 7 марта 2006 г. с 142.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

1. Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в среде керровского типа

11. Редуцированное волновое уравнение для задачи самовоздействия лазерных импульсов в газе

1.2 Солитонные структуры циркулярно поляризованного поля в среде с «низкочастотной»дисперсией

1.3. Солитонная динамика волнового поля Формирование циркулярно поляризованного солитона

1.3 1. Динамика солитонов с циркулярной поляризацией 1.3 2 Возбуждение солитона с циркулярной поляризацией

1.3 3. Динамика солитонов с «линейной»поляризацисй

1.4 Динамические свойства «упругих»взаимодействий волновых солитонов с малым числом осцилляций поля

1.4 1 Частоты сталкивающихся солитонов одинаковы 1.4 2 Частоты сталкивающихся солитонов различны

1 5 Волновая динамика с учетом высокочастотной дисперсии

1 6 Самокомпрессия электромагнитных импульсов и генерация солитонов с предельно короткой длительностью

1 7 Солитонные структуры циркулярно поляризованного поля с произвольной степенной нелинейностью

1 8. Обсуждение результатов

2. Исследование структурных особенностей динамики самофокусировки импульсов с шириной спектра порядка центральной частоты

2 1. Волновое уравнение в безотражательном приближении для задачи самовоздействия трехмерных волновых пакетов

2 2. Качественное исследование динамики самовоздействия

2.3 Динамика самовоздействия волновых полей в среде без дисперсии

2 3.1 Самовоздействие «скалярного»(линейно поляризованного) поля

2 3 2 Самовоздействие циркулярно поляризованного поля

2 4. Особенности динамики самовоздействия в среде с дисперсией 2 4 1 Аномальная дисперсия 2.4 2 Нормальная дисперсия

2 5. Обсуждение результатов

3. Трансформация спектра и самокомпрессия мощных фемто-секундных лазерных импульсов при ионизации газа в диэлектрических капиллярах

3 1. Структура «холодных »мод диэлектрического капилляра 3.2. Система уравнений, описывающая пространственно-временную эволюцию поля при распространении мощного лазерного излучения в газонаполненном диэлектрическом капилляре

3.2 1 Эволюционное уравнение для поля 3 2 2. Граничные условия 3.2.3. Балансное уравнение 3 3. Качественное исследование

3 31. Закон сохранения энергии в электромагнитном импульсе

3.3.2. Закон изменения спектральных характеристик

3.3.3. Оценка на одномодовой режим распространения излучения через капилляр

3 4. «Квазиодномодовый»режим распространения излучения

3.4 1. Эффективность прохождения излучения через капилляр 3 4 2. Трансформация спектра выходного излучения 3 5. Ионизационный компрессор на пути к сверхкоротким и сверхинтенсивным лазерным импульсам

3 5.1. Ионизационная трансформация спектра ионизирующего импульса Возбуждение «нелинейной>моды в капилляре Эффективность прохождения излучения

3 5.2. Ионизационная самокомпрессия оптических импульсов миллиджоульного уровня в газонаполненных диэлектрических капиллярах

3.6 Обсуждение результатов Заключение Литература

Скобелев Сергей Александрович

НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ПРЕДЕЛЬНО КОРОТКИХ ОПТИЧЕСКИХ

ИМПУЛЬСОВ

Автореферат

Подписано к печати 21 05 07 Формат 60x90 '/и Бумага офсетная Kai Печать офсетная Уел печ л 2,0 Тираж 100 экз Заказ №67 (2007)

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

Введение

1 Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в среде керровского типа

1.1 Редуцированное волновое уравнение для задачи самовоздействия лазерных импульсов в газе

1.2 Солитонные структуры циркулярно поляризованного поля в среде с «низкочастотной»дисперсией.

1.3 Солитонная динамика волнового поля. Формирование циркулярно поляризованного солитона.

1.3.1 Динамика солитонов с циркулярной поляризацией.

1.3.2 Возбуждение солитона с циркулярной поляризацией.

1.3.3 Динамика «солитонов»с линейной поляризацией.

1.4 Динамические свойства «упругих»взаимодействий волновых солитонов с малым числом осцилляций поля

1.4.1 Частоты сталкивающихся солитонов одинаковы.

1.4.2 Частоты сталкивающихся солитонов различны.

1.5 Волновая динамика с учетом высокочастотной дисперсии.

1.6 Самокомпрессия электромагнитных импульсов и генерация солитонов с предельно короткой длительностью.

1.7 Солитонные структуры циркулярно поляризованного поля с произвольной степенной нелинейностью.

1.8 Обсуждение результатов.

2 Исследование структурных особенностей динамики самофокусировки импульсов с шириной спектра порядка центральной частоты

2.1 Волновое уравнение в безотражательном приближении для задачи самовоздействия трехмерных волновых пакетов.

2.2 Качественное исследование динамики самовоздействия

2.3 Динамика самовоздействия волновых полей в среде без дисперсии

2.3.1 Самовоздействие «скалярного» (линейно поляризованного) поля

2.3.2 Самовоздействие циркулярно поляризованного поля.

2.4 Особенности динамики самовоздействия в среде с дисперсией.

2.4.1 Аномальная дисперсия.

2.4.2 Нормальная дисперсия.

2.5 Обсуждение результатов.

3 Трансформация спектра и самокомпрессия мощных фемтосекунд-ных лазерных импульсов при ионизации газа в диэлектрических капиллярах

3.1 Структура «холодных» мод диэлектрического капилляра.

3.2 Система уравнений, описывающая пространственно-временную эволюцию поля при распространении мощного лазерного излучения в газонаполненном диэлектрическом капилляре

3.2.1 Эволюционное уравнение для поля.

3.2.2 Граничные условия.

3.2.3 Балансное уравнение.

3.3 Качественное исследование.

3.3.1 Закон сохранения энергии в электромагнитном импульсе

3.3.2 Закон изменения спектральных характеристик.

3.3.3 Оценка на одномодовой режим распространения излучения через капилляр.

3.4 «Квазиодномодовый»режим распространения излучения

3.4.1 Эффективность прохождения излучения через капилляр

3.4.2 Трансформация спектра выходного излучения

3.5 Ионизационный компрессор на пути к сверхкоротким и сверхинтенсивным лазерным импульсам

3.5.1 Ионизационная трансформация спектра ионизирующего импульса. Возбуждение «нелинейной»моды в капилляре. Эффективность прохождения излучения.

3.5.2 Ионизационная самокомпрессия оптических импульсов милли-джоульного уровня в газонаполненных диэлектрических капиллярах

3.6 Обсуждение результатов.

В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в генерации ультракоротких сверхсильных лазерных импульсов. Этот прогресс связан с появлением в середине 80-х годов компактных твердотельных лазерных систем, использующих метод усиления частотно-модулированных импульсов [1, 2]. С их помощью оказалось возможным достижение интенсивностей на 4 порядка выше достижимых ранее. Благодаря ультракороткой длительности генерируемого лазерного излучения, при относительно небольшом уровне энергии, содержащейся в лазерном импульсе, стало возможным достигать беспрецедентно 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, что приводит к мгновенной ионизации атомов. В результате взаимодействие такого излучения с веществом, вне зависимости от его агрегатного состояния, приводит к образованию плазмы. При таких интенсивностях и длине волны порядка 1 мкм, характерной для лазеров, электроны плазмы осциллируют с релятивистскими скоростями, что открывает совершенно новые, не исследованные ранее режимы взаимодействия излучения с веществом. При этом импульсы имеют чрезвычайно малую длительность: от 10 фс до 1 пс. Это меньше, чем характерные времена гидродииами-ческого движения и термализации плазмы. Следовательно, оказывается возможным создание неравновесной плазмы с концентрацией вплоть до твердотельной.

Прогресс в технике генерации сверхкоротких лазерных импульсов не только позволил сформулировать принципиально новые подходы к решению задач, связанных с возбуждением и исследованием вещества в сильно неравновесных состояниях, но и обеспечил (в связи с созданием «настольных»источников мощных лазерных импульсов сверхкороткой длительности, способных функционировать в широком спектральном диапазоне: от УФ до среднего ИК) широкий фронт проведения экспериментальных исследований в этом направлении.

Исследование взаимодействия сверхсильных оптических полей с веществом в настоящее время, как уже отмечалось выше, наиболее интенсивно ведется в фемто-секундной области. Поэтому создание тераваттных лазерных комплексов заложило основу еще одной области фундаментальной лазерной физики - физики сверхсильных оптических полей (которая тесно связана с физикой плазмы и физикой высоких энергий) и порождаемых ими специфических экстремальных состояний вещества. 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].

Эти революционные достижения в технологии генерации лазерных импульсов усилили и в значительной степени обусловили интерес к вопросам их взаимодействия с веществом. Комбинация высоких интенсивностей с короткой длительностью делает взаимодействие таких импульсов с веществом уникальным.

Таким образом, одно из современных направлений в исследовании взаимодействия электромагнитного излучения с веществом связано с использованием все более коротких электромагнитных импульсов. При этом удается выйти на более высокий уровень интенсивностей при той же энергии в импульсе. Новые возможности, которые открываются по мере укорочения длительности импульса, связаны с уширением спектра волнового поля. Развитие оптических методов генерации и детектирования терагерцовых импульсов с использованием фотопроводников и нелинейных кристаллов [39,40] также стимулирует активный интерес к применению широкополосного излучения в фундаментальных и прикладных исследованиях [42,43]. Развивается и нелинейная оптика аттосекундных импульсов [44].

Теоретические исследования показали существование специфической особенности предельно коротких импульсов, приводящей к возможности подавления дифракционной расходимости волнового поля на трассе распространения в вакууме [45-47]; обсуждаются возможности эффективного ускорения зараженных частиц предельно короткими импульсами [48]. Имеется сообщение об экспериментальном наблюдении сверхдальнего распространения пространственно локализованного сгустка («электромагнитного снаряда») [49]. Проведены экспериментальные исследования пространственно-временной фокусировки сверхкоротких импульсов терагерцо-вого излучения (наблюдение эффекта Гойя) [50], особенностей ионизации атомов из ридберговских состояний [51-53]. Эффективно развивается томография биологических объектов [42].

В связи с этим возникает новая в теоретическом плане проблема исследования особенностей распространения сверхкоротких импульсов конечной амплитуды, дифракции их в неоднородной среде и взаимодействия широкополосного излучения с веществом. Особенности теоретического описания пространственно-временной эволюции импульсов с шириной спектра порядка несущей частоты связаны с невозможностью применения традиционно используемой в теории волновых процессов приближения медленно меняющихся амплитуд для исследования динамики системы. Необходимо также и получение материальных уравнений, адекватно описывающих линейную и нелинейную дисперсию показателя преломления среды в широком диапазоне частот в области прозрачности [54-56]. Следует отметить, что сходные задачи, связанные с описанием заметного уширения спектра излучения, возникают и в композитных средах, например, в кластерной плазме [28], и при изучении такого уникального явления как сверхдальпое распространение ионизирующего фемтосе-кундного лазерного излучения в атмосфере [58,59].

На пути решения этой проблемы используются несколько подходов. Прежде всего следует отметить, что для исследования особенностей динамики сверхкоротких импульсов все чаще обращаются непосредственно к численному решению уравнений Максвелла. Однако даже при использовании самых сверхмощных компьютеров удается проводить исследование лишь двумерных волновых полей на довольно ограниченной трассе распространения [60]. Очевидно, что этого недостаточно для описания реальной ситуации самовоздействия полей, поскольку динамика процесса определяется конкуренцией эффектов дифракции и нелинейной рефракции и, следовательно, существенно зависит от размерности задачи.

Наибольшее распространение получило обобщение приближенного метода медленно меняющейся огибающей, связанное с учетом зависимости групповой скорости от амплитуды волнового поля, линейной дисперсии среды (см. например [28,59,61-63]). В результате задача сводится к анализу уравнения для огибающей волнового пакета, которое иногда называют нелинейным уравнением Шредингера (НУШ) высокого порядка. Порядок определяется максимальной производной от показателя преломления среды по частоте, которую учитывают при получении уравнения.

Третий подход основан на рассмотрении безотражательного распространения импульса в однородной среде. Предполагается, что пространственно-временная структура волнового поля плавно меняется в процессе однонаправленного распространения импульса по трассе из-за дифракции и нелинейности среды, т.е в пренебрежении эффектами отражения [45,56,64,65]. В случае квазимонохроматического излучения такой подход, очевидно, соответствует переходу к уравнению для огибающей. Учет конечной ширины спектра приводит к новым эффектам, которые проявляются в долговременной эволюции пространственно-ограниченного импульса: формирование дифракционного предвестника, образование характерной подковообразной структуры и дублета в спектре волнового поля [45,64].

Еще один способ основан на представлении решения исходных уравнений Максвелла в виде набора негармонических пространственно-временных структур автомодельного типа, распространяющихся как в прямом, так и в обратном направлении. В отличие от предыдущих подходов это позволяет, например, рассматривать динамику отражения сверхкороткого импульса от плоской границы раздела двух сред [67]. Однако, остается неясной возможность обобщения этого подхода на пространственно-ограниченные (в поперечном направлении) волновые поля.

Проведенное выше обсуждение различных подходов к исследованию эволюции сверхкоротких импульсов позволяет выделить особо приближенное описание процессов в предположении плавного изменения волнового поля при его распространении в среде. Очевидно, что это приближение выполнено как для «видиоимпульсов», так и квазимонохроматических волновых пакетов. В данной диссертации будет проведено развитие такого (третьего) подхода для исследования динамики самовоздействия широкополосного излучения в среде с нелинейностью керровского типа.

Следует отметить, что в исследованиях динамики самовоздействия подобных волновых пакетов преобладающим является численное моделирование. В то же время весьма привлекательными представляются попытки аналитического исследования, позволяющие сформулировать некоторые общие выводы о динамике системы. В представленной работе, наряду с численным исследованием эволюции системы, развиты методы аналитического исследования.

Кроме того, в диссертации теоретически исследуются новая схема самокомпрессии 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 газОхМ или плазмой за счет волноводно-го режима распространения излучения. Идея использования полых сверхразмерных диэлектрических волноводов (с диаметром много больше длины волны) для транспортировки лазерного излучения впервые, по-видимому, обсуждалась в работе [75]. 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 [29-31], в задачах генерации высоких оптических гармоник в работах [93-95], транспортировки мощного лазерного излучения в работах [76,96-99], ускорения частиц в работах [98,100]. В представляемой диссертации проведено детальное численное исследование трансформации спектра при распространении мощных фемтосе-кундных лазерных импульсов в газонаполненных капиллярах в режиме ионизации газа. Первые подобные исследования были выполнены в работе [76]. Полученные результаты использовались для реализации самокомпрессии лазерных импульсов на ионизационном механизме нелинейности в капилляре.

Целью предлагаемой диссертационной работы является:

• аналитическое и численное исследование закономерностей нелинейной волновой динамики электромагнитного излучения, содержащего конечное число периодов поля;

• исследование новой схемы самокомпрессии фемтосекундных лазерных импульсов до предельно коротких длительностей на миллиджоульном уровне энергии с использованием ионизационной нелинейности.

Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные моменты:

1. Найден новый класс устойчивых уединенных решений волнового поля, описывающий распространение в нерезонансной среде солитоноподобных структур циркулярно-поляризованного излучения с произвольным числом осцилляций поля. Впервые показано, что найденные волновые солитоны с малым числом осцилляций поля устойчивы относительно парных взаимодействий. В результате соударений не происходит излучения свободных полей, т. е. несолитонной части спектра, сохраняя тем самым общую энергию, заключенную в солитонах. Кроме того, солитоноподобная структура волновых полей не нарушается, т.е. волновые солитоны остаются солитонами и после соударений.

2. В среде с нелинейностью керровского типа и плазменным законом дисперсии показано, что произвольный оптический импульс распадается на найденные со-литонные решения нелинейного волнового уравнения. Впервые проанализировано влияние высокочастотной дисперсии на перестройку частоты и амплитуды волнового «солитона».

3. Впервые аналитически найден новый класс солитонных решений нелинейного волнового уравнения с нелинейностью степенного типа (Р„/ ~ Е2т ■ Е, где т, - целое число) и волноводным законом дисперсии.

4. Методы качественного исследования динамики самофокусировки квазимоно-хроматичсского излучения обобщены на случай волновых пакетов с длительностью несколько периодов колебаний поля.

5. Использование преобразования автомодельного типа показало, что вблизи особенности дисперсионные эффекты ослабляются, и существенную роль играет нелинейная дисперсия среды (зависимость групповой скорости от амплитуды поля). Самофокусировка волнового поля сопровождается опрокидыванием продольного профиля импульса и в результате формируется особенность нового типа, в которой на фоне неограниченного роста поля происходит градиентная катастрофа. Этот эффект приводит к аномальному уширению спектра излучения.

6. Предложена простая модель ионизационной динамики мощных лазерных импульсов произвольной длительности в газонаполненных диэлектрических капиллярах. Впервые рассмотрена возможность возбуждения нелинейной моды в капилляре.

7. Впервые продемонстрировано самосжатие мощного ионизирующего фемтосе-кундного лазерного излучения вплоть до одного периода поля с энергией в импульсе свыше 1 мДж.

На защиту выносятся следующие положения:

• В средах с безынерционной нелинейностью керровского типа и с плазменным законом дисперсии существует новый класс точных уединенных решений, описывающий нелинейное распространение волновых импульсов с солитонной структурой огибающей, однако включающей лишь конечное число осцилляций поля. Важной особенностью найденных волновых солитонов является полуограниченный спектр их допустимых решений, т.е. наличие граничного решения, соответствующего предельному солитону с максимально допустимой энергией и минимальной возможной длительностью (менее одного периода колебаний), который может быть назван «видеосолитоном».

• В классе циркулярно-поляризованных полей волновые солитоны с малым числом колебаний сохраняют в парных соударениях свойства соударений шредин-геровских солитонов относительно структуры своих огибающих, в то время как их частотные заполнения могут изменяться, однако в соответствие с сохранением солитоноподобной структуры. В результате соударения не происходит излучения свободных полей, т. е. несолитонной части спектра, сохраняя таким образом общую энергию, заключенную в солитонах. Именно устойчивость относительно соударений и преемственная связь волновых солитонов с солито-нами нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) позволяет рассматривать их в качестве базовых структур волнового ноля, играющих такую же фундаментальную роль в динамике волновых процессов, как и солитоны НУШ.

• Применение методов теории нелинейных волн позволило провести аналитическое исследование долговременной эволюции трехмерных волновых пакетов в случае сверхкоротких электромагнитных импульсов. На основе уравнения для эффективной ширины волнового поля удается выделить класс начальных распределений, которые в дальнейшем испытывают коллапс.

• Преобразование уравнения в «схлопывающуюся»систему координат позволило установить определяющую роль нелинейной дисперсии в динамике системы. Увеличение крутизны продольного профиля и образование ударных фронтов является характерной особенностью эволюции сверхкоротких импульсов. Показано, что процесс «опрокидывания»несколъко опережает волновой коллапс. В результате происходит формирование особенности более сложного типа, в которой градиентная катастрофа сопровождается неограниченным возрастанием поля на ударном фронте. Этот эффект очевидно приводит к аномальному уши-рению спектра излучения. Как показывают результаты численного моделирования спектры спадают по степенному закону.

• Использование ионизационной нелинейности дает возможность предложить схему самосжатия мощных фемтосекундных лазерных импульсов с длительностью вплоть до одного периода поля на миллиджоульном уровне энергии. Возбуждение нелинейной моды в капилляре и уширение спектра оптического импульса за счет нелинейного механизма фазовой самомодуляции, связанного с полевой ионизации газа, приводит к самокомпрессии исходных импульсов вплоть до одного оптического периода.

Практическая ценность результатов состоит в том, что предложенные в работе новые схемы самосжатия фемтосекундных лазерных импульсов открывает перспективы для получения импульсов предельно короткой длительности без использования внешних устройств компрессии импульсов. Развитие методов аналитического исследования самовоздействия широкополосного излучения позволили более детально исследовать картину нелинейной динамики электромагнитного излучения, содержащего конечное число периодов поля.

Достоверность полученных результатов. Разработанная теория удовлетворяет принципу соответствия, который включает известные уравнения эволюции огибающих сверхкоротких световых импульсов и результаты анализа пространственно-временной динамики огибающих, как частный случай, обобщая их на импульсы со сверхширокими временными и пространственными спектрами. Мощь нового теоретического подхода подтверждена соответствием результатов численного моделирования эволюции системы.

Публикации и апробация результатов

Основные результаты докладывались на Международной конференции по лазерной оптике Int. Conf. on Laser Optics (С. Петербург, 2003 г. ), ежегодном международном совещании по лазерной физике LPHYS (Гамбург, Германия, 2003 г.), Международном симпозиуме Topical Problems of Nonlinear Wave Physics (Нижний Новгород, 2003), Ежегодном международном конгрессе по математическому моделированию VI Int. Congress on Mathematical Modeling (Нижний Новгород, 2004), Международной конференции Сверхсильных полей в плазме 3-rd International Conference on Superstrong Field in Plasmas (Италия, 2005), Международном российско-германском совещании по лазерной физике RGLS-2005 (Нижний Новгород, 2005г.), на научных семинарах ИПФ РАН. Результат «Опрокидывание продольного профиля и образование ударных фронтов сверхкоротких лазерных импульсов»принят в годовой отчет РАН (2006). Кроме того, полученные результаты неоднократно рекомендовались в годичный отчет РАН - «Динамические свойства солитонов с малым числом колебаний поля и возможности предельной, основанной на солитонном механизме, компрессии сверхкоротких фемтосекундных импульсов»(2005); «Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах» (2003).

По материалам диссертации опубликована 20 научных работ (список приведен на последних страницах ), в том числе 6 статей в научных журналах, 14 тезисов докладов на международных и отечественных конференциях. Еще несколько статей в настоящий момент подготавливаются к отправке в журналы.

Личный вклад автора в работах, выполненных в соавторстве, заключается в участии в процессе постановки задачи, проведении исследований, обсуждении и изложении полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения и списка литературы. Каждой главе предпослано небольшое вступление, в котором формулируется постановка задачи. В заключении к главам сформулированы основные результаты, полученные в диссертации. Материал диссертации изложен на 189 станицах, включая 54 рисунков, 1 таблицы и 100 литературных ссылок.

Заключение

Кратко сформулируем основные результаты, полученные в диссертации.

1. Найден новый класс уединенных решений волнового поля, описывающий распространение в прозрачной нерезонансной среде солитоноподобных структур циркулярно-поляризованного оптического излучения, включающих конечное число периодов колебаний поля. Особенностью этих решений является их плавная перестройка от солитонных решений НУШ, соответствующих длинным импульсам со многими осцилляциями, до предельно коротких, фактически одно-периодных видеоимпульсов. Важной особенностью рассматриваемых волновых солитонов является полуограниченный спектр их допустимых решений, т. е. наличие граничного решения, соответствующего предельному солитону с минимально возможной длительностью импульса и, соответственно, с максимально возможной амплитудой.

2. Путем численного моделирования динамики оптического циркулярно-поляризованного поля в среде керровского типа показано, что парным соударениям волновых солитонов с малым числом осцилляций поля относительно их энергетических характеристик присущи свойства соударений шредингеровских солитонов, а соответствующие им спектральные характеристики изменяются в соответствие с сохранением солитоноподобной структуры огибающей. В зависимости от абсолютной разности фаз полей имеют место три различных режима взаимодействия: прохождения одной структуры сквозь другую, их отталкивания, а также с точной репликацией одной исходной волновой структуры другой.

3. Показано, что произвольный оптический импульс, распространяющийся в среде с нелинейностью керровского типа и плазхмеипым законом дисперсии, распадается на найденные волновые структуры нелинейного волнового уравнения. Предложен алгоритм для генерации солитонов с предельно короткой длительностью. Проанализировано влияние высокочастотной дисперсии на перестройку частоты и амплитуды волнового «солитона».

4. Исследованы структурные особенности динамики самофокусировки импульсов с шириной спектра порядка центральной частоты. Описание процессов проведено в предположении безотражательного распространения волнового поля произвольной длительности в диспергирующей среде с кубичной нелинейностью. Методы качественного исследования динамики самофокусировки квазимонохроматического излучения обобщены на случай волновых пакетов с длительностью несколько периодов колебаний поля. В частности, методом моментов найдено достаточное условие коллапса в системе. Использование преобразования автомодельного типа выявило определяющую роль нелинейной дисперсии среды.

5. Использование преобразования автомодельного типа показало, что вблизи особенности (в области неограниченного нарастания поля) дисперсионные эффекты ослабляются, и существенную роль играет нелинейная дисперсия среды (зависимость групповой скорости от амплитуды поля). Самофокусировка волнового поля сопровождается опрокидыванием продольного профиля импульса и в результате формируется особенность нового типа, в которой на фоне неограниченного роста поля происходит градиентная катастрофа. Численное исследование подтверждает, что самофокусировка сверхкоротких импульсов, как правило, сопровождается укручением продольного распределения и формированием ударных фронтов.

6. Показано, что при самофокусировке сверхкоротких лазерных импульсов в диспергирующей нелинейной среде реализуется опережающий процесс опрокидывания продольного профиля импульса и образование ударных фронтов. Этот эффект приводит к аномальному уширению спектра излучения. Для исследования тонких деталей динамики системы был проведен анализ спектра поля. В случае сред без дисперсии и сред с аномальной дисперсией спектр поля при больших частотах носит степенной характер, что соответствует градиентной катастрофе. При этом для стабилизации коллапса достаточно «линей-ной»диссипации на фронте ударной волны. В среде с нормальной дисперсией групповой скорости отсутствие столь сильной диссипации приводило к необходимости учета обычно используемых в случае коллапса механизмов стабилизации самофокусировки (нелинейного поглощения и насыщения нелинейности).

7. Предложена простая модель ионизационной динамики мощных лазерных импульсов произвольной длительности в газонаполненных диэлектрических капиллярах. Определены зависимости ширины и величины сдвига центра масс спектра от энергии лазерных импульсов, давления газа. Рассмотрена возможность возбуждения нелинейной моды в капилляре.

8. Продемонстрирована временная самокомпрессия мощного ионизирующего фемтосекундного лазерного излучения вплоть до одного периода поля с энергией в импульсе свыше 1 мДж.

В заключение приведем список публикаций, выполненных по теме диссертации:

• Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах: от солитонов огибающей к видеосолитонам. Изв. ВУЗов. Радиофизика, 46, №5-6, с.415-428 (2003).

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

• С. А. Скобелев, А. В. Ким. О динамических свойствах «упругих» взаимодействий волновых солитонов с малым числом осцилляций поля. Письма в ЖЭТФ, 80, №10, с.727-731 (2004).

• А. Г. Литвак, В. А. Миронов, С. А. Скобелев. Динамика самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов. Письма в ЖЭТФ, 82, №3, с. 119-123 (2005).

• А. А. Балакин, А. Г. Литвак, В. А. Миронов, С. А. Скобелев. Структурные особенности динамики самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов. ЖЭТФ, 131, вып. 3, с. 408-424 (2007).

• А. В. Ким, С. А. Скобелев, М. О. Шуралёв. Солитонные структуры волнового поля с конечным числом колебаний в средах с керровской нелинейностью: от солитонов огибающей к видеосолитонам. Труды (девятой) научной конференции по радиофизике <?Факультет - ровесник Победы», 7 мая 2005 г. (ред. А.В. Якимов). Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005, с. 23-24.

• S. A. Skobelev, V. A. Mironov, A. G. Litvak, and A. A. Balakin. Self-focusing dynamics of few optical cycle pulses. In: Superstrong Fields in Plasmas: 3rd International Conference on Superstrong Fields in Plasmas (Maurizio Lontano and Dimitri Batani, eds.). AIP Conf. Proc., V.827, p. 94-99 (2006).

• D. V. Kartashov, S. A. Skobelev, and A. V. Kim. Pulse compression and solitons formation in the capillary with gas-plasma mixture. Technical Digest of XI

Int. Conf. on Laser Optics, St. Petersburg,Russia, June 30 - July 4, 2003. Paper WeR5-20.

• D. V. Kartashov and S. A. Skobelev. Pulse compression due to self-action and wave breaking in the capillary with gas-plasma mixture. Technical Digest of II Int. Conf. on Laser Optics for Young Scientists (LOYS-2003), St. Petersburg, Russia, June 30 - July 4, 2003. Paper WeS2-P08.

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

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

• S. A. Skobelev, D. V. Kartashov, and A. V. Kim. Stability and dynamics of few-optical-cycle solitons in nonresonant media. Proc. of Int. Symposium «Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (NWP-2003), Nizhny Novgorod, Russia, September 6-12, 2003 (NWP-2 High-field Physics and Ultrafast Nonlinear Phenomena, ed. by Alexander M. Sergeev), p. 185-186.

• D. V. Kartashov, S. A. Skobelev, and A. V. Kim. Few-optical-cycle solitons in non-resonant media. Proc. of Int. Symposium «Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (NWP-2003), Nizhny Novgorod, Russia, September 6-12, 2003 (NWP-2 High-field Physics and Ultrafast Nonlinear Phenomena, ed. by Alexander M. Sergeev), p. 249-250.

• Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев. Солитонные структуры волнового поля с конечным числом колебаний в нерезонансных средах: от солитонов огибающей к видеосолитонам. Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XII научная школа «Нелинейные волны-2004»), Н. Новгород, 29 февраля - 7 марта 2004 г. с. 60-61.

• С. А. Скобелев. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах: от солитонов огибающей к видеосолитонам. Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XII научная школа «Нелинейные волны-2004»), Н. Новгород, 29 февраля - 7 марта 2004 г. с. 102.

• S. A. Skobelev, D. V. Kartashov, and А. V. Kim. Soliton structures of a wave field with an arbitrary number of oscillations in nonresonance media: from envelope solitons toward videosolitons. Book of Abstracts of VI Int. Congress on Mathematical Modeling, Nizhny Novgorod, Russia, September 20-26, 2004, p. 172.

• A.V. Kim, D.I. Kulagin, S.A. Skobelev, A.N. Stepanov. Ionization-induced spectrum transformation and ultrashort pulse self-compression Technical Digest of XX-th Int. Conf. on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'2007). Minsk, Belarus, May 28 -July 1, 2007.

• A. G. Litvak, V. A. Mironov, S. A. Skobelev. «Self-focusing dynamics of few optical cycle pulses». Book of Abstracts of 3-rd International Conference on Superstrong Field in Plasmas, Villa Monastero, Varenna, Italy, September 19-24, 2005.

• S. Skobelev. Spatio-temporal self-action of few-optical-cycle electromagnetic pulses in nonresonant media. Proc. of Russian-German Laser Symposium (RGLS-2005), Nizhny Novgorod, Russia, October 1-7, 2005.

• С. А. Скобелев. Динамика самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов. Тезисы докладов конференции молодых ученых «Нелинейные волновые процессы» (XIII научная школа «Нелинейные волны-2006»), Н. Новгород, 1 марта - 7 марта 2006 г. с. 142.

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

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

3. D. P. Uinstadter, C. Barty, M. Perry, and G. A. Mourou. Tabletop, ultrahigh-intensity lasers: dawn of nonlinear relativistic optics. Optics and Photonics News, 9, №7, p.41,1998.

4. В. И. Таланов. О самофокусировке волновых пучков в нелинейных средах. Письма в ЖЭТФ, 2, 218 (1965).

5. A. G. Litvak, V. I. Talanov. A parabolic equation for calculating the fields in dispersive nonlinear media. Radiophysics and Quantum Electronics, 10, 539 (1967).

6. В. E. Захаров, С. В. Манаков, С. П. Новиков, JI. П. Питаевский. Теория солитонов. Наука, Москва (1980).

7. Е.М. Громов, В.И. Таланов. Волны, описываемые высшими приближениями нелинейного уравнения Шредингера. Изв. вузов. Радиофизика, 41, 222 (1998).

8. A. Baltuska, Z. Y.Wei, М. S. Pshenichnikov, D. A. Wiersma. Optical pulse compression to 5fs at a 1-MHz repetition rate. Opt. Lett., 22, 102-104 (1997).

9. М. Nisoli, S. De Silvestri, О. Svelto, R. Szipocs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, S. Sartania, F. Krausz. Compression of high-energy laser pulses below 5 fs. Opt. Lett., 22, №8, p.522, 1997.

10. T. Brabec, F. Krausz. Intense few-cycle laser fields: Frontiers of nonlinear optics. Rev. Mod. Phys., 72, 545-591 (2000).

11. С. А. Козлов, С. В. Сазонов. Нелинейное распространение импульсов длительностью в несколько колебаний светового поля в диэлектрических средах. ЖЭТФ, 111, 404 (1997).

12. A. Nazarkin, G. Korn. Pulse self-compression in the subcarrier cycle regime. Phys. Rev. Lett., 83, 4748 (1999).

13. А. И. Маймистов. Некоторые модели распространения предельно коротких электромагнитных импульсов в нелинейной среде. Квантовая электроника, 30, №4, с. 287-304 (2000).

14. А. V. Husakou, V. P. Kalosha, J. Herrmann. Supercontinuum generation and pulse compression in hollow waveguides. Opt. Lett., 26, p. 1022-1024 (2001).

15. J. C. Eilbeck, J. D. Gibbon, P. J. Coudrey , R. K. Bullough. Solitons in nonlinear optics. I. A more accurate description of the 2ж pulse in self-induced transparency. J. Phys. A., 6, M, p. 1337-1347 (1973).

16. E. M. Беленов, П. Г. Крюков, А. В. Назаркин и др. Когерентное усиление импульсов нерезонансной двухуровневой средой. Письма в ЖЭТФ, 47, вып. 9, с. 442-444 (1988).

17. С. А. Козлов. Проблемы когерентной и нелинейной оптики . Под ред. И. П. Гурова, С. А. Козлова, СПб. (2000).

18. К. А. Горшков, В. А. Козлов, Л. А. Островский. ЖЭТФ, 65, 195 (1973).

19. A. Dalgarno, А. Е. Kingston. Proc. R. Soc. London, Ser. A., 65, 424 (1966).

20. С. H. Власов, В. И. Таланов. Самофокусировка воли. Н.Новгород: ИПФ РАН (1997).

21. JI. А. Островский. Изв. вузов Радиофизика, 4, 455 (1974).

22. L. Misoguti, S. Backus, С. G. Durfee et al. Generation of Broadband VUV Light Using Third-Order Cascaded Processes. Phys. Rev. Lett., 87, 013601 (2001).

23. С. М. Chen, P. L. Kelley. Nonlinear pulse compression in optical fibers: scaling laws and numerical analysis. J. Opt. Soc. Am. В., 19, 1961 (2002).

24. Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев. Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах. Письма в ЖЭТФ, 78, 722 (2003).

25. Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев. Нелинейная динамика волновых полей в нерезонансных средах: о солитонов огибающей к видеосолитонам. Изв. вузов Радиофизика, XLVI, №5, 415 (2003).

26. С. А. Ахманов, В. А. Выслоух, А. С. Чиркин. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. Наука, Москва (1988).

27. В. А. Козлов, А. Г. Литвак, Е. В. Суворов. ЖЭТФ, 76, 148 (1979)

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

29. L. Misoguti, S. Backus, C. G. Durfee, R. Bartels, M. M. Murnane, and H. C. Kapteyn. Generation of broadband VUV light using third-order cascaded processes. Phys. Rev. Lett., 87, №1, 013601 (2001).

30. А. V. Husakou, V. P. Kalosha, and J. Herrmann. Supercontinuum generation and pulse compression in hollow waveguides. Opt. Lett., 26, 1022 (2001).

31. V.G. Bespalov, S.A. Kozlov, Y.A. Shpolyansky, I.A. Walmsley. Simplified field wave equations for the nonlinear propagation of extremely short light pulses. Phys. Rev. A, 66, 013811 (2002).

32. Е.Е. Serebryannikov, et al. Nonlinear-optical spectral transformation of few-cycle laser pulses in photonic-crystal fibers. Phys. Rev. E, 72, 056603 (2005).

33. С. А. Скобелев, А. В. Ким, О динамических свойствах «упругих» взаимодействий волновых солитонов с малым числом осцилляций поля. Письма в ЖЭТФ, 80, 727 (2004).

34. G. P. Agraval, Теория Nonlinear Fiber Optics. Academic Press, New York, 1994).

35. Y. Kodama and A. Hasegawa. Nonlinear pulse propagation in a monoinode dielectric guide. IEEE J. Quantum Electon., 23, 510-524 (1987).

36. R.A. Cheville and D. Grichkowsky. Time domain terahertz impulse ranging studies. Appl. Phys. Lett., 67, 1960-1962 (1985); K. Wynne and D.A. Jaroszynski. Superluminal terahertz pulses. Opt. Lett., 24, 25-27 (1999)

37. Х.Ф. Хармут. Несинусоидальные волны в радиолокации и связи. М. Радио и связь, 1985; Л.Д. Бахрак, А.А. Блискавицкий. УФН, 162, 160 (1993)

38. D.M. Mittleman, R.H. Jacobsen and М.С. Nuss IEEE J. of selected topics in Quan. Elect. 2 , 679 (1996); S. VVangand X-C Zhang J. Phys. D. Appl. Phys., 37, 1 (2004)

39. P. Rairoux, M. Schilingen, S. Niederineier et al. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses. Appl. Phys. В., 71, 573 (2000)

40. S. Feng and H.G. Winful. Spatiotemporal structure of isodiffracting ultrashort electromagnetic pulses. Phys. Rev. E., 61, 862 (2000)

41. T.T. Wu J. Electromagnetic missiles. Appl. Phys. 57, 2370 (1985); Л.Г. Содин. Радиотехника и электроника 37, 1014 (1991); О.А. Третьяков, А.Н. Думин Электромагнитные волны, электронные системы 3, 12 (1998)

42. В. Rau, Т. Tajima and Н. Hojo. Coherent Electron Acceleration by Subcycle Laser Pulses. Phys. Rev. Lett., 78, 3310 (1997)

43. H.M. Shen, SPIE 873, 338 (1988)

44. R. Lindner, G.G. Paulus, H. Walther et al. Gouy Phase Shift for Few-Cycle Laser Pulses. Phys. Rev. Lett., 92, 113001 (2004)

45. T.J. Bensky, G. Haeftler, R.R. Jones. Ionization of Na Rydberg Atoms by Subpicosecond Quarter-Cycle Circularly Polarized Pulses. Phys. Rev. Lett., 79, 2018 (1997)

46. C. Raman, C.W.S. Conover, C.I. Sukenik et al. Ionization of Rydberg Wave Packets by Subpicosecond, Half-Cycle Electromagnetic Pulses. Phys. Rev. Lett., 76, 2436 (1996)

47. T.J. Bensky, M.B. Campbell, R.R. Jones. Half-Cycle Pulse Assisted Electron-Ion Recombination. Phys. Rev. Lett., 81, 3112 (1998)

48. A. Ts. Andreev, V. D. Vasilev, V. A. Kozlov, A. V. Kuznetsov, A. A. Senatorov, R. L. Shubochkin. Polarization phase nonreciprocity in all-fiber ring interferometers. Quantum Electronics, 23, Number 8, Pages 685-687, (1993)

49. С. Келих, Молекулярная нелинейная оптика, М. Наука 1981

50. А. N. Berkovsky, S. A. Kozlov, Y. A. Shpolyansky. Self-focusing of few-cycle light pulses in dielectric media. Phys. Rev. A, 72, 043821 (2005)

51. H. А. Жарова, А. Г.Литвак, В. А.Миронов. О самофокусировке лазерного излучения в кластерной плазме. Письма в ЖЭТФ, 78, 1112 (2003).

52. P.M. Goorjian and Y. Silberberg. Numerical simulations of light bullets using the full-vector time-dependent nonlinear Maxwell equations. J. Opt. Soc. Am. В., 14, 3253 (1997)

53. H.A. Жарова, А.Г. Литвак, B.A. Миронов. Самовоздействие сверхкороткого лазерного импульса в среде с нормальной дисперсией групповой скорости. Изв. ВУЗов Радиофизика, 46, 331 (2003)

54. Е.М. Громов, В.И. Таланов. Изв. ВУЗов Радиофизика, 39, 735 (1996); Е.М. Gromov and V.I. Talanov. Nonlinear dynamics of short wave trains in dispersive media. JETP, 83, 73 (1996)

55. B.E Захаров, E.A. Кузнецов. Гамильтоновский формализм для нелинейных волн. УФН, 167, №11, 1137 (1997).

56. А. Г.Литвак, В. А.Миронов, С. А.Скобелев. Динамика самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов. Письма в ЖЭТФ, 82, 119-123 (2005).

57. А. А. Балакин, А. Г. Литвак, В. А. Миронов, С. А. Скобелев. Структурные особенности динамики самовоздействия сверхкоротких электромагнитных импульсов. ЖЭТФ, 131, вып. 3, стр. 408-424.

58. Н.А. Жарова, А.Г. Литвак, В.А. Миронов. Самофокусировка ударных волн огибающих волновых пакетов в среде с нелинейной дисперсией. ЖЭТФ, 130, вып. 1(7) (2006).

59. А.Б. Шварцбург. Видеоимпульсы и непериодические волны в диспергирующих средах (точно решаемые модели). УФН, 168, №1, 85 (1998); УФН 175, 833 (2005).

60. J1 .Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Электродинамика сплошных сред, М. Наука, 1982.

61. О.В. Руденко, О.А. Сапожников. Явления самовоздействия пучков волн, содержащих ударные фронты. УФН, 174, №9,970 (2004);0.в. Руденко, О.А. Сапожников. Волновые пучки в кубично-нелинейных средах без дисперсии. ЖЭТФ, 106, 395 (1994).

62. С.К. Турицын, Г.Е. Фалькович. Устойчивость магнитноупругих солитонов и самофокусировка звука в антиферомагнениках. ЖЭТФ, 89, 258 (1985); В. С. Львов Нелинейные спиновые волны, М. Наука, 1987

63. С.Н. Власов, В.И. Таланов, Самофокусировка воли, Н. Новгород 1997.

64. Н.А. Жарова, А.Г. Литвак, Т.А. Петрова и др. О множественном дроблении волновых структур в нелинейной среде. Письма в ЖЭТФ, 44, вып. 1, 12-15 (1986).

65. Е.А. Кузнецов, С.Л. Мушер, А.В. Шафаренко. Коллапс звуковых волн в средах с положительной дисперсией. Письма ЖЭТФ, 37, вып. 5, 204-207 (1983);

66. E.А. Кузнецов, С.Л. Мушер. Влияние коллапса звуковых волн на структуру бесстолкновительных ударных волн в замагниченной плазме. ЖЭТФ, 64, 947 (1986).

67. Л.Д Ландау, Е.М. Лифшиц, Гидродинамика, М. Наука, 1986.

68. Е. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell Syst. Tech. J., 43,1783 (1964).

69. F. Dorchies, J. R. Marques, B. Cros, G. Matthieussent, C. Courtois, T. Velikoroussov, P. Audebert, J. P. Geindre, S. Rebibo, G. Hamoniaux, and

70. F. Amiranoff. Monomode guiding of 1016 W/cm2 laser pulses over 100 Rayleigh lengths in hollow capillary dielectric tubes. Phys. Rev. Lett., 82, 4655 (1999).

71. B. Cros, C. Courtois, G. Matthieussent, A. Di Bernardo, D. Batani, N. Andreev, S. Kuznetsov. Eigenmodes for capillary tubes with dielectric walls and ultraintense laser pulse guiding. Phys. Rev. E, 65, p. 026405-1 026405-7 (2002).

72. В. Б. Гильденбург, А. В. Ким, A. M. Сергеев. О возможности сильного повышения частоты ионизирующего лазерного импульса в газе. Письма в ЖЭТФ, 51, с.91 (1990).

73. V. В. Gildenburg, А. V. Kim, V. A. Krupnov, V. Е. Semenov, А. М. Sergeev, and N. A. Zharova. Adiabatic frequency up-conversion of a powerful electromagnetic pulse producing gas ionization. IEEE Trans, on Plasma Science, 21, p.34 (1993).

74. 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 pulses in gas-filled capillary tubes. Laser Phys., 12, p.1303 (2002).

75. W. M. Wood, C. W. Siders, and M. C. Downer. Measurement of femtosecond ionization dynamics of atmospheric density gases by spectral blueshifting. Phys. Rev. Lett., 67, p.3523 (1991).

76. G. Tempea and T. Brabec. Nonlinear source for the generation of high-energy few-cycle optical pulses. Opt. Lett., 23, p.1286 (1998).

77. E.B. Ванин, M.C. Даунер, A.B. Ким, A.M. Сергеев. О возбуждении сверхкоротких всплесков гармоник излучения при ионизации газа мощным оптическим импульсом. Письма в ЖЭТФ, 58, вып. 12, 964-969 (1993)

78. Л. Д. Ландау, Е М. Лифшиц. Квантовая механика. Москва Физматлит, (2001).

79. А. V. Kim, S. F. Lirin, А. М. Sergeev, and Е. V. Vanin. Compression and frequency up-conversion of an ultrashort ionizing pulse in a plasma, Phys. Rev. A, 42, p. 2493-2495 (1990)

80. I. P. Christov. Phase-dependent loss due to nonadiabatic ionization by sub-10-fs pulses. Opt. Lett., 24, p. 1425 (1999).

81. В. Б. Гильденбург и др.Письма в ЖТФ, 14, с.1695 (1988)

82. А. М. Sergeev, М. Lontano, А. V. Kim et al. Ionization-induced leaking-rnode channeling of intense short laser pulses in gases. Las. and Part. Beams, 17, pp 129-138, 1999.

83. S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner et al. Generation of 0.1-TW5-fs optical pulses at a 1-kHz repetition rate. Opt. Lett., 22, p.1562 (1997).

84. Gero Stibenz, Nickolai Zhavoronkov, and Giinter Steinmeyer. Self-compression of millijoule pulses to 7.8 fs duration in a white-light filament. Opt. Lett., 31, JV®2, pp. 274-276 (2006)

85. Y. Tamaki, Y. Nagata, M. Obara, and K. Midorikawa. Phase-inatched high-order-harmonic generation in a gas-filled hollow fiber. Phys. Rev. A, 59, №5, p.4041,1999.

86. 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., 83, Ml, p.2187, 1999.

87. 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, 421, p.51, 2003.

88. S. Jackel, R. Burris, J. Grun, A. Ting, С. Manka, K. Evans, and J. Kosakowskii. Channeling of terawatt laser pulses by use of hollow waveguides. Opt. Lett., 20, №10, p.1086, 1995.

89. M. Borghesi, A. Mackinnon, R. Gaillard, O. Willi, and A. A.Offenberger. Guiding of a 10-TW picosecond laser pulse through hollow capillary tubes. Phys. Rev. E, 57, №5, p.R4899, 1998.

90. B. Cros, C. Courtois, G. Malka, G. Matthieussent, J. R. Marques, F. Dorchies, G. Hamoniaux, N. Blanchot, and J. L. Miquel. Extending plasma accelerators: guiding with capillary tubes. IEEE trans, on Plasma Science, 28, №4, p.1071, 2000.

91. C. Courtois, A. Couairon, B. Cros, J. R. Marques, G. Matthieussent. Propagation of intense ultrashort laser pulses in a plasma filled capillary tube: simulations and experiments. Phys. of Plasmas, 8, №7, p.3445, 2001.

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