Нелинейно-оптические явления при распространении интенсивных лазерных импульсов ближнего УФ диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Карпов Владимир Борисович

Нелинейно-оптические явления при распространении интенсивных лазерных импульсов ближнего УФ диапазона

Специальность 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2005

/

12.39!

ffз 3

2

Работа выполнена в Институте общей физики им. А М Прохорова Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Кулевский Лев Александрович (ИОФРАН)

доктор физико-математических наук, профессор Пятницкий Лев Николаевич (ИВТАН)

доктор физико-математических наук, профессор Склизков Глеб Владимирович (ФИАН)

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт

физико-технических и радиоизмерений (ВНИИФТРИ)

Защита состоится «¿-Ь> Октября 2005 г. в

15й часов на заседании Диссертационного совета Д.002.063 02 при Институте общей физики им А.М.Прохорова РАН по адресу: 119991, г Москва, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им А.М.Прохорова РАН.

Автореферат разослан

» Сентября 2005 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета

Макаров В.П. тел. 132-83-94

ГОС. НАЦИОНАЛЬНА* 1

кимиетыи I

¡тШ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Бурное развитие лазерной физики, последовавшее после пионерских работ Н Г Басова, А М Прохорова и Ч Таунса, привело к созданию лазерных систем с разнообразным набором активных сред (твердые, жидкие, газообразные), способов накачки (оптическая, разрядная, электронная, ядерная и др.), видов резонаторов (устойчивые, неустойчивые), режимов функционирования (непрерывные, импульсные) и с широчайшим диапазоном длин волн излучения.

Совершенствование импульсных лазерных систем позволило получить высокие интенсивности за короткие времена Тем самым был создан инструмент для исследования нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом

Как и в других спектральных диапазонах, в ближнем УФ можно выделить две важнейшие области исследования нелинейного взаимодействия излучения с веществом:

1) нелинейная оптика диэлектрической среды;

2) нелинейная оптика плазмы.

Для этих областей требуются лазерные импульсы с различными параметрами. В первом случае нужны такие длительности и интенсивности, чтобы физические процессы в диэлектрической среде (акустические, тепловые, ориентационные и др), участвующие в исследуемом нелинейно-оптическом взаимодействии, шли достаточно эффективно, но ионизации среды не происходило. Эффективность нелинейно-оптического процесса увеличивается с ростом интенсивности поля, поэтому часто приходится работать на грани порога ионизации среды, как правило, близкого к порогу разрушения диэлектрика Благодаря участию и молекул, и среды нелинейности в диэлектриках исключительно разнообразны Необходимость учета большого количества нелинейностей усложняет теоретическое изучение. С другой стороны, умеренные интенсивности не создают особых проблем для экспериментального изучения.

Во втором случае лазерное поле должно обеспечить ионизацию среды и образование плазмы Сверхвысокие интенсивности возможны только при ультракоротких длительностях Ультракороткие импульсы ничего, кроме электронов, «не видят», поэтому выбор нелинейности здесь ограничен: либо Керр-эффект, обусловленный деформацией электронных оболочек ионов, либо гидродинамика свободных плазменных электронов Для сверхвысоких интенсивностей плазма либо полностью ионизована, либо в ней содержатся глубоко иониэоваяные ионы. В обоих случаях Керр-эффект можно не учитывать Наличие

единственной электронно-плазменной нелинейности упрощает теоретическое изучение С другой стороны, сверхвысокие интенсивности создают значительные трудности для экспериментального изучения. В частности, существует проблема подвода излучения к мест}' взаимодействия Кроме того, существует проблема диагностики «продуктов» взаимодействия, которые сильно поглощаются окружающим газом.

В нелинейной оптике диэлектрической среды важную роль играют различные виды вынужденного рассеяния света. К ним относятся' вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллгоэна (ВРМБ); вынужденное Температурное рассеяние, обусловленное электрокалорическим эффектом (ВТР-1) и линейным поглощением (линейное ВТР-2), вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и др. Первая часть настоящей диссертации посвящена исследованию вынужденного рассеяния излучения ближнего УФ диапазона при наносекундной длительности импульса.

К нелинейной оптике плазмы относится, в частности, релятивистско-стрикционное самоканалирование Вторая часть настоящей диссертации посвящена исследованию этого явления для субпикосекундного импульса ближнего УФ диапазона.

Остановимся на первой части диссертации.

Вынужденное рассеяние (ВР) света находит широкое применение в научных исследованиях и практических приложениях. Одно из важнейших приложений ВР самообращение волнового фронта (ОВФ при ВР), открытое в лаборатории КРФ (ФИАН) в 1971 г (авторы - В.В.Рагульский, В.И.Поповичев, Ф.С.Файзуллов).

Изучение физических механизмов ВР в различных областях спектрального диапазона представляет значительный интерес. Экспериментальное изучение ВР проводилось ранее преимущественно для ближнего ИК диапазона излучения лазеров на рубине (А, = 0.69 мкм) и на неодимовом стекле (А = 1.06 мкм). Многофотонное поглощение в ИК диапазоне не проявлялось, поскольку для попадания в электронный резонанс с энергией ~ 10 эВ требовалось ~ 5-=-10 ИК фотонов с энергией ~1*2эВ. Теоретическое изучение ВР проводилось с учетом экспериментальных результатов, полученных преимущественно для ближнего ИК диапазона.

Экспериментальное изучение ОВФ при ВР излучения ближнего УФ диапазона было начато в [1-8]. В качестве источников накачки применялись эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов: АгР (А = 193 нм), {СгБ (X = 248 нм), ХеС1 (А - 308 нм), ХеР (к = 351 нм). Было показано, что при использовании наносекундных импульсов с интенсивностью 1> 109 Вт/см2 и шириной спектра Ду < 0.2 см"' возможно получение ОВФ при ВР назад в жидкостях, прозрачных в ближнем УФ диапазоне (гексан, гептан и др.).

Однако ряд вопросов требует дальнейшего изучения Так, в [1 -7] утверждалось, что физическим механизмом наблюдаемого ВР является ВРМБ При этом величины спектральных сдвигов ВР пучка относительно накачки, экспериментально измеренные в этих работах, значительно расходятся с теоретическими значениями, получаемыми на основе известной теории ВРМБ [9,10]. В [4] было обнаружено ухудшение качества ОВФ при ВРМБ при небольшом превышении интенсивностью накачки порога. Это также требует изучения, поскольку качество ОВФ при ВРМБ в прозрачных средах должно улучшаться с ростом интенсивности накачки ввиду прямой зависимости амплитуды гиперзвуковой волны от амплитуды лазерного поля [9,10].

Остановимся на второй части диссертации.

Взаимодействие мощных лазерных импульсов с веществом является предметом активных теоретических и экспериментальных исследований на протяжении нескольких десятилетий. Особый интерес представляет самовоздействие при нелинейном распространении лазерного излучения в веществе. Эта область лазерной физики ведет свое начало с работы Г.А.Аскарьяна [11], предсказавшего самофокусировку светового пучка.

Большой интерес вызывают режимы распространения ультракоротких лазерных импульсов при релятивистских интенсивностях, в частности, релятивистско-стрикционное самоканалирование. Это явление было предсказано теоретически в [12,13]. Оно характеризуется тем, что лазерный импульс сжимается к оси, увеличивая свою интенсивность в сотни раз На нелинейную динамику ультракороткого сверхмощного лазерного импульса в веществе оказывают влияние следующие факторы'

1) Формирование передним фронтом импульса плазменного шнура вследствие нелинейной ионизации атомов и ионов.

2) Нелинейное изменение свойств среды. Для импульсов длительностью т < 1 пс несущественны инерционные механизмы нелинейности, связанные с ионной компонентой плазмы. В то же время, работают безынерционные механизмы, связанные с электронной компонентой. Таких механизмов два. Во-первых, релятивистское увеличение масс свободных электронов, осциллирующих в интенсивном оптическом поле со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Во-вторых, выталкивание свободных электронов пондермоторной силой из области, занятой сильным полем. Вследствие малых длительностей тяжелые ионы не успевают существенным образом изменить своего положения в пространстве Вытолкнутые электроны удерживаются вблизи канала электростатическими силами, возникающими при разделении зарядов в плазме.

Процесс протекает следующим образом. Вначале в результате релятивистской самофокусировки формируется мощный фокус. В области фокуса становится существенной

электронная стрикция, которая компенсирует поперечную дифракцию и приводит к динамической модуляции импульса по продольной координате. Благодаря стрикции, внутри импульса образуется система областей (или одна область) с пониженной концентрацией электронов, которая перемещается вместе с импульсом. Самосогласованная система -электромагнитное поле + среда - распространяется на расстояния Ь, во много раз превосходящие как длину импульса тс, так и дифракционную длину Ьо При этом на длине Ь не существует сплошного канала. Канал или филамент здесь - это интегральная по времени наблюдения траектория или след движения сгустка электромагнитного поля с малыми продольными и поперечными размерами.

Релятивистские интенсивности получены экспериментально при фокусировке излучения эксимерных и твердотельных лазерных систем. Так, для длин волн X = 248 нм (ЮТ эксимерный лазер) и X - 1.06 мкм (лазер на неодимовом стекле) при длительности импульса т < 1 пс и диаметре пучка 3*10 мкм интенсивность излучения в фокальной каустике достигает 1 г Ю'Мо^Вт/см2.

Значительная часть численных расчетов самоканалированного распространения была выполнена для эксимерного КгР лазера [14]. Поэтому наибольший экспериментальный интерес представляет исследование релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундного импульса КгР лазера (А. = 248 нм).

В диссертации решались важные научные проблемы:

1) Выяснение физических механизмов вынужденного рассеяния (ВР) и оптимизация качества ОВФ при ВР излучения ближнего УФ диапазона наносекундной длительности.

2) Экспериментальное установление физической картины релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундных импульсов ближнего УФ диапазона.

Результаты, полученные в работе, вносят существенный вклад в развитие лазерной физики'

1) Обнаружено новое нелинейно-оптическое явление - вынужденное температурное рассеяние, обусловленное нагревом за счет двухфотонного поглощения (двухфотонное ВТР-2). Двухфотонному ВТР-2 в спектре ВР соответствует ранее не известная спектральная линия.

2) Обнаружено экспериментально ВРМБ в ближнем УФ диапазоне. При этом спектральный сдвиг рассеянного механизмом ВРМБ излучения полностью согласуется с теоретическим Исчезновение ВРМБ при увеличении интенсивности накачки обусловлено нарушением фазового синхронизма из-за двухфотонного нагрева.

3) Создана многокаскадная эксимерная ХеС1 лазерная система, обеспечивающая получение на длине волны X = 308 им импульса длительностью £ 8 не и энергией г 3 мДж с одной продольной модой и дифракционной расходимостью.

4) Показано, что качество ОВФ ухудшается при переходе от ВРМБ к двухфотонному ВТР-2 из-за пространственной фазовой самомодуляции вследствие двухфотонного нагрева и медленной релаксации температурной решетки.

5) Предложена методика определения сечения двухфотонного поглощения среды но порогу появления двухфотонного ВТР-2. По этой методике определено сечение двухфотонного поглощения гексана (СбНм) на длине волны X = 308 нм

ст2 £ (2 ± 1)хЮ"50см4 с.

6) Обнаружена зависимость пространственной структуры филамента от интенсивности накачки при релятивистско-стрикционном самоканалировании ультракороткого сверхмощного импульса эксимерного И7 лазера в газах.

7) Обнаружена эмиссия рентгеновского излучения в диапазоне 1-^3.5 кэВ из области филамента.

8) Предложена методика изучения взаимодействия сверхмощного лазерного изучения с газовой мишенью, в которой устраняется влияние газа на распространение лазерного пучка до фокальной области, для чего пучок фокусируется на маленькое отверстие в фольге, разделяющей камеру на два объема, причем расположенная перед фольгой часть камеры откачивается.

Целью диссертации являлось изучение нелинейного распространения лазерного излучения ближнего УФ диапазона, в частности:

^Экспериментальное и теоретическое изучение ВР и ОВФ излучения ближнею УФ диапазона наносекундной длительности в жидкостях. Установление причин несоответствия результатов предшествующих экспериментов теории ВР.

2) Экспериментальное изучение релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного КгИ лазера в газах Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими.

Научная новизна. Все результаты, представленные в диссертации получены впервые

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1) Новое нелинейно-оптическое явление - двухфотонное ВТР-2 может найти применение в практических приложениях, использующих взаимодействие лазерного излучения с диэлектрической средой. Например, в лазерной медицине и лазерной обработке материалов Оно позволяет извлекать информацию об изучаемом предмете по спектральному составу рассеянного излучения.

2) Пороговая по интенсивности природа двухфотонного ВТР-2 может быть использована для контроля интенсивности лазерного импульса.

3) Двухфотонное ВТР-2 может быть использовано для определения сечения двухфотонного поглощения.

4) Результаты, полученные по оптимизации качества ОВФ, могут найти применение в специальных лазерных системах, использующих ОВФ для компенсации аберраций и автоматического наведения мощного лазерного импульса на цель.

5) Исследованный экспериментально эффект релятивистско-стрикционного самоканалирования позволяет осуществить уникальную самоконцентрацию оптической энергии в узком длинном канале и достичь интенсивностей вплоть до Ю20Вт/см2. Данный эффект может быть использован для создания рентгеновского лазера, генерации сверхсильных магнитных полей, гармоник, нейтронов и др.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации новые научные результаты получены лично автором или совместно с соавторами при его непосредственном участии

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на семинарах Отдела колебаний, Отдела волновых явлений, Отдела когерентной и нелинейной оптики ИОФ РАН; семинарах University of Illinois at Chicago и Illinois Iinstitute of Technology (Чикаго, США), Max-Bom-lnstitute (Берлин, ФРГ), на всесоюзной конференции "ОВФ-89", Минск, 1989, международной конференции "LASERS-89", США, 1989; международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их приложения", Самарканд, 1990; международной конференции "КИНО-91", Санкт-Петербург, 1991; общеевропейской конференции по оптике "ЕСО-4", Нидерланды, 1991: международной конференции "LASERS-91", США, 1991; конференции "X-Ray Lasers 1992", Мюнхен, Германия; конференции "Short Wavelength 5V", США, 1993, конференции "Optical Society of America", Торонто, Канада, 1993.

Результаты, полученные в диссертации, представлены в качестве базовых экспериментов в обзорах и монографиях по лазерной физике, например, в [14, 15].

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе. Из них статей: в российских журналах - 10, в иностранных журналах - 2, в трудах конференций - 9.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, двух Частей и Заключения. Работа изложена на 246 страницах, содержит 30 рисунков и список литературы из 83 наименований.

Содержание диссертации.

В общем Введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, показана научная и практическая значимость проведенных исследований, приведены защищаемые положения.

Часть первая диссертации посвящена изучению физических механизмов ВР и ОВФ наносе кундных импульсов ближнего УФ диапазона в жидкостях Приводится экспериментальное и теоретическое обоснование нового нелинейно-оптического явления -двухфотонного ВТР-2.

В Главе 1 дается обзор предшествующих работ по изучению ВР и ОВФ излучения ближнего УФ диапазона в жидкостях Показывается, что проблемы, накопившиеся в данной области, носят комплексный характер Они затрагивают как временное, так и пространственное поведение лазерного излучения в нелинейной среде. Во временном поведении существует проблема спектрального сдвига при ВРМБ, а в пространственном -качества ОВФ при ВРМБ. С другой стороны, большое количество работ, в которых наблюдалось «неправильное ВРМБ», было выполнено в лабораториях разных стран за более чем 10 лет. Значит, случайная экспериментальная ошибка здесь исключена.

В Главе 2 дается краткий обзор теории ВР и ОВФ. Перечислены известные виды ВР, систематизированные по физическому механизму возбуждения среды бегущей интерференционной решеткой, образованной полями накачки и рассеянной волны. Особенно подробно рассмотрены два наиболее часто используемых механизма ВР - ВРМБ и линейное ВТР-2 Рассматриваются основные свойства эффекта нарушения фазового синхронизма вследствие нестационарного однородного нагрева при ВРМБ в линейно поглощающих средах.

Глава 3 посвящена описанию экспериментальной установки, созданной для изучения ВР и ОВФ излучения эксимерного ХеС1 лазера (X = 308 нм) в жидком гексане. В качестве нелинейной жидкости был выбран гексан, поскольку он был исследован в большинстве предшествующих работ по изучению ВР и ОВФ излучения эксимерных лазеров в жидкостях Лазерная система построена по принципу задающий генератор (ЗГ) - усилители. Дается описание оригинального ЗГ, обеспечивающего получение излучения высокого качества - с дифракционной расходимостью и предельно узким одномодовьгм спектром (спектральной шириной =5x1 О*3 см"1 при длительности импульса =8 не) Приведена схема экспериментальной установки и описание входящих в нее элементов, а также методики спектральных, временных и пространственных измерений.

Глава 4 посвящена экспериментам. Приводится методика выбора нелинейной жидкости и кювет. Коэффициент линейного поглощения гексана в экспериментах принимал четыре

значения: а = 0 01 см"1, 0 046 см'1, 0.08 см'1 и 0.17 см"1. Дается подробное описание четырех экспериментов.

В эксперименте № 1 исследовалась зависимость временного спектра ВР пучка от интенсивности накачки в области нелинейного взаимодействия. Интенсивность накачки изменялась за счет изменения фокусного расстояния Р линзы, фокусирующей излучение в кювету с нелинейной жидкостью Использовались три линзы с Р = 11 см, 50 см и 100 см. Для каждой линзы, с помощью схемы спектрального анализа, снималась одна фотография сразу двух временных спектров - накачки и ВР пучка - в форме, удобной для измерения спектральных сдвигов. Затем линза заменялась и процедура повторялась. Использовался гексан с а = 0.01 см'1.

На рис. 1 представлены три фотографии временных спектров для трех значений V, полученные при а = 0.01 см'1 = сопя. Видно, что в спектре ВР пучка:

при Р = 11 см (а) присутствует одна компонента, причем заметный спектральный сдвиг между ней и накачкой отсутствует (далее она будет называться несмещенной);

при Р = 50 см (Ь) присутствуют две компоненты - несмещенная и стоксово смещенная на 0.33 см"1;

при Р = 100 см (с) присутствует одна компонента, стоксово смещенная на 0.33 см'1.

В эксперименте №2 изучалась зависимость временного спектра ВР пучка от коэффициента а линейного поглощения гексана при различных интенсивностях накачки. Использовался гексан с а = 0.01 см"1, 0.046 см"1, 0.08 см"1 и 0.17 см'1. В результате оказалось, что:

при а = 0.046 см"' и 0.08 см"1 зависимость спектра ВР пучка от фокусного расстояния Р оставалась такой же, как в случае а = 0.01 см'1 (рис. 1);

при а = 017см"' в спектре ВР пучка присутствовала только одна несмещенная компонента при всех значениях Р = 11 см, 50 см и 100 см.

В эксперименте № 3 определялись угловые расходимости прямого лазерного пучка и обратного ВР пучка в одном и том же месте лазерной системы. Такой эксперимент давал информацию о качестве ОВФ Использовался гексан с а = 0.01 см'1, чтобы избежать теплового самовоздействия из-за линейного поглощения Измеренные расходимости составили:

г Зх 10"4 рад для прямого лазерного пучка;

= ЗхЮ"4 рад для обратного ВР пучка в случае И = 100 см («хорошее» ОВФ); = 2x10'3 рад для обратного ВР пучка в случае Р = 11 см («плохое» ОВФ).

а

b

Рис 1 Результаты экспериментов №1 и №2- три фотографии временных спектров для трех фокусных расстояний F- 11 см (а), 50 см (Ь) и 100 см (с), полученные для гексана с фиксированным значением коэффициента линейного поглощения а = const. Каждая фотография состоит из двух частей' спектра накачки (справа) и спектра BP пучка (слева) Область свободной дисперсии эталона Фабри-Перо 0 66 см"1 Представленная на фотографиях (а-с) зависимость спектра BP от F оставалась неизменной для трех значений а: 0 01 см"', 0 046 см'1 и 0 08 см"1

В эксперименте № 4 изучалось временное поведение импульсов накачки и рассеянного Коэффициент отражения от ОВФ зеркала определялся как отношение максимальных интенсивностей ВР пучка и накачки. Оказалось, что интенсивность обратно рассеянного ВР импульса имеет почти гауссову форму и длительность примерно = 7 не (FWHM). Небольшое укорочение ВР импульса по сравнению с накачкой может быть связано с пороговым по интенсивности характером ВР Коэффициент отражения от ОВФ зеркала достигал з 20%

Приводятся результаты наших экспериментов по изучению ВР и ОВФ наносекундных импульсов эксимерного ХеС1 лазера (X = 308 нм) в жидком гексане, требующие специального теоретического анализа:

1) Наличие в спектре ВР пучка при Р = 50см и а = 0.01+0.08 см'1 двух компонент (рис 1(Ь)) несмещенной (с точностью 0.02 см'1) и стоксово смещенной на 0.33 см"1

2) Зависимость спектрального состава ВР пучка при а = 0 01-0 08 см'1 от фокусного расстояния И линзы

2 1) Исчезновение несмещенной компоненты, при увеличении Р от 50 см до 100 см (рис. 1(Ь-с));

2.2) Исчезновение смещенной компоненты, при уменьшении И от 50 см до 11 см (рис. ЦЬ-а)).

3) Зависимость спектрального состава ВР пучка от коэффициента а линейного поглощения гексана"

3 1) Исчезновение смещенной компоненты для И = 50 см и 100 см при увеличении а от 0.08 см'1 до 0.17 см"1.

3.2) Появление несмещенной компоненты для Р = 100 см при увеличении а от 0.08 см"1 до 0 17 см"1.

4) Существенное увеличение расходимости ВР пучка (ухудшение качества ОВФ) при уменьшении фокусного расстояния И от 100 см до 11 см для а = 0.01 см'1 = со1Ы.

Глава 5 посвящена анализу и интерпретации полученных экспериментальных результатов. Анализ экспериментальных результатов показал, что известная теория ВР, учитывающая только линейное поглощение, не способна их объяснить

Только введение нового физического механизма ВР - вынужденного температурного рассеяния, обусловленного нагревом вследствие двухфотонного поглощения (двухфотонного ВТР-2) позволило разрешить все проблемы.

Во-первых, было показано, что, наблюдаемая в предшествующих экспериментах, линия «неправильного ВРМБ» с сильно уменьшенным спектральным сдвигом на самом деле была несмещенной линией двухфотонного ВТР-2.

Во-вторых, было показано, что, наблюдаемое в предшествующих экспериментах, «ухудшение качества ОВФ при ВРМБ из-за увеличения интенсивности накачки» на самом деле связано с ухудшением качества ОВФ при двухфотонном ВТР-2 из-за того, что, в отличие от ВРМБ, механизм двухфотонного ВТР-2 сопровождается тепловым самовоздействием и характеризуется сравнительно большим временем релаксации.

В-третьих, по экспериментальному порогу возбуждения двухфотонного ВТР-2 было определено сечение двухфотонного поглощения нелинейной среды (гексана) на = 308 нм

аг = (2 ± 1)хЮ"50 см4 с.

Величина полученного таким образом сечения, с одной стороны, доказывает физическую реалистичность самого механизма двухфотонного ВТР-2. С другой стороны, двухфотонное поглощение с таким сечением объясняет некоторые экспериментальные результаты, в частности, подавление ВРМБ из-за нарушения фазового синхронизма при нагреве с учетом двухфотонного поглощения.

При сравнении свойств линейного ВТР-2 и двухфотонного ВТР-2, было показано, что это два совершенно разных физических механизма ВР, которые обладают легко разделяемыми линиями в спектре ВР.

Именно то, что поведение спектральной линии двухфотонного ВТР-2 в экспериментах абсолютно не соответствует хорошо известному поведению линии линейного ВТР-2, и привело к тому, что в предшествующих работах в течение более чем 10 лет линия двухфотонного ВТР-2 ошибочно принималась за линию ВРМБ.

Настоящую линию ВРМБ в УФ диапазоне в наших экспериментах удалось обнаружить только после существенного уменьшения интенсивности накачки.

Механизм двухфотонного ВТР-2 относится не только в ближнему УФ диапазону спектра и к конкретным жидкостям, а, как и другие механизмы ВР, носит общий характер

Рассмотрено влияние двухфотонного поглощения на возбуждение температурной компоненты ВРМБ Показано, что в стоксовой области оно должно проявляться в небольшом увеличении бриллюэновского сдвига с ростом интенсивности накачки В антистоксовой области положительное усиление возможно только при достаточно высоких интенсивностях накачки.

Часть вторая диссертации посвящена изучению релятивистско-стрикционного самоканалирования в плазме ультракороткого сверхмощного импульса эксимерного КгР лазера, работающего на длине волны X = 248 нм.

Во Введении приведен анализ лазерных систем, генерирующих сверхмощные ультракороткие импульсы.

В Главе 1 дан обзор известных механизмов самофокусировки и самоканалирования

Глава 2 посвящена теоретической модели релятивистско-стрикционного самоканалирования Эта модель была разработана в [12, 13] из первых принципов релятивистской гидродинамики электронной и ионной компонент холодной плазмы в отектромагнитном поле Распространение циркулярно и линейно поляризованного излучения описывается одним и тем же нелинейным волновым уравнением (НВУ), нелинейность которою зависит от релятивистского у-фактора электрона у = (1 - и2/с2)"|/2, где и - скорость электрона, с - скорость света В общем случае зависимости у-фактора от амплитуды векторного потенциала поля для циркулярной и линейной поляризаций различаются. Во многих важных случаях зависимости у-фактора от поля для обеих поляризаций описываются общим модельным уравнением. Критическая мощность релятивистско-стрикционной самофокусировки была получена из анализа собственных мод НВУ

( V

Р^г^хЮ10 — [Вт],

где и - частота лазерного поля, соро - плазменная частота невозмущенной плазмы. Глава 3 посвящена анализу результатов численного исследования распространения в модели НВУ, полученных в [14].

Одна из важнейших задач, которая поддается численному исследованию в модели НВУ - пространственно-временная модуляция интенсивности лазерного импульса Особый интерес связан с околопороговым режимом, который допускает сравнение с экспериментальными результатами.

Расчеты проводились в трехмерном варианте (г, ъ, ^ для среды с релятивистско-стрикционной нелинейностью. Отношение начальной пиковой мощности Р0 к критической мощности релятивистско-стрикционной самофокусировки Ро/Ркр = 1 4

Трехмерное решение 1(г, г, Ц для наглядности представлено в виде «мгновенных фотографий» (рис. 2) - пространственно-двумерных графиков интенсивности Кг, %) в сопутствующих координатах = у^ - 7., т -X в последовательные моменты времени

I = 1000 + 31.25 х} [фс], ) = 1,2.....8 0 - номер «мгновенной фотографии»)

На входе импульс имел гауссово распределение по продольной и поперечной координатам с параметрами. X = 248 нм, ЬД, - 0.019, г0=3.5мкм, т0 = 400 фс. Здесь 1о -пиковое значение входной интенсивности, 1г - релятивистская интенсивность, т0 и го -начальные длительность и радиус импульса.

Переднему фронту импульса соответствует 4 = 0-

Рис 2 Распространение изначально Гауссова импульса в среде с релятивистско-стрикпионной нелинейностью: Т-2Т) численное решение НВУ в последовательные моменты времени г = 1000 + 31 25 х ] [фс], ] = 1,2,...,8; Ро/Р^ = 1.4; оси координат: I [10|9Вт/см2], г [мкм], \ [мкм]

Результаты численного моделирования показывают, что ультракороткий релятивистски-сичьный импульс КгР лазера при распространении в плазме испытывает сильную временную самомодуляцию Решение обладает двумя характерными масштабами (рис 2) длинноволновый 51] = 100мкм обусловлен средней интенсивностью цуга пичков. коротковолновый 51г г 30ч-40 мкм обусловлен распадом импульса на пички и характеризует их ширину.

В эксперименте наблюдается не набор «мгновенных фотографий» (рис 2), а интегральный по времени филамент Его структуру определяют два обстоятельства

1) Время жизни цуга Дг] г 300 фс. За это время цуг смещается на сД^ = 100 мкм На интегральной фотографии цуг должен давать пятно

2) Время жизни пичка А1г = 150 + 200 фс За это время пичок смещается на сД1г = 45-60 мкм На интегральной фотографии пичок должен давать пятно

Поскольку последняя величина превышает ширину пичка 6Ь , предсказанная теорией мелкомасштабная модуляция импульса в филаменте должна быть искажена

Глава 4 посвящена экспериментальному исследованию самоканалирования субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного КгР лазера при фокусировке в газы Обсуждаются два эксперимента.

Рис 3 Схема первого эксперимента' - фокусирующая линза (VI). Р - отверстие диаметром =30 мкм в разделительной фольге, \Уь ^Уг - входное и выходное окна, В блокирующий диск, О - диафрагма, Ьг - линза, Г - спектральный фильтр, Л - нейтральный фильтр, Б - флуоресцентный экран, М - микроскоп, С - ПЗС-камера

(51, + сД^) = 200 мкм.

(512 + сЛЬ) = 75 т 100 мкм.

и 1

Схема первого эксперимента представлена на рис. 3. Источником излучения служил субпикосекундный KrF (К = 248 нм) лазер, конструкция и параметры которого подробно описаны в [16. 17]. Он поставлял линейно поляризованное излучение пиковой мощностью Ро s 300 ГВт (энергия W ~ 150 мДж, длительность то = 0.5пс, частота повторения 1 Гц) в пучке диаметром d| = 42 мм. Этот пучок фокусировался в камеру взаимодействия линзой Li с фокусным расстоянием fi таким, что fi/di s 7. Измеренный радиус фокального пятна в откачанной камере составлял го = 3.5мкм, обеспечивая максимальное значение интенсивности в перетяжке без учета влияния среды 1о £ 8.6х1017 Вт/см2.

Камера взаимодействия состояла из двух объемов, разделенных тонкой металлической фольгой. Первый объем ("VAC"), расположенный между входным окном Wi и разделительной фольгой, откачивался до остаточного давления газа = 0.5 Тор. Второй объем ("GAS"), расположенный между разделительной фольгой и выходным окном W2, наполнялся газом. В качестве рабочих использовались газы: Не, Ne, Аг, Кг, Хе, N2, СО2. Плотности газов изменялись от нуля (вакуум) до No = 2x10м см'3.

Фольга имела маленькое отверстие Р диаметром s 30 мкм Лазерный пучок фокусировался в центр этого отверстия и проходил через него к газу. Таким образом, в данной экспериментальной схеме с дифференциальной откачкой, влияние газа на распространение лазерного пучка до фокальной области, было сведено к минимуму.

Чтобы обеспечить точное попадание сфокусированного лазерного пучка в отверстие Р была разработана следующая методика. Перед началом каждой серии импульсов в камеру устанавливалась новая фольга без всяких отверстий. Первым импульсом из очередной серии в фольге прожигалось отверстие Все последующие импульсы данной серии автоматически попадали в это отверстие.

За камерой взаимодействия исследовалось излучение на X = 248 нм, рассеянное на угол 9 На этот угол поворачивалась ось оптической регистрирующей системы по отношению к оси падающего лазерного пучка (рис. 3). Та часть излучения накачки, которая не подвергалась рассеянию, была блокирована диском В, установленным на внутренней стороне выходного окна камеры

Задачей оптической регистрирующей системы было получение изображения фокальной области в свете излучения с X = 248 нм. Она работала следующим образом. Линза L2 передавала изображение фокальной области из камеры взаимодействия на флуоресцентный экран S Диафрагма D перед линзой L2 ограничивала угол сбора излучения величиной £ 5°. Оптимальное значение этого угла сбора определялось экспериментально по отсутствию аберраций линзы Li, которые могли бы исказить получаемое изображение. Спектральный

фильтр Т, установленный между экраном в и линзой Ьг, имел полосу пропускания АХ = 10 нм. Таким образом, только излучение с ). г 248 нм могло дойти до экрана 8. Нейтральный фильтр А оптимизировал интенсивность УФ излучения Флуоресцентный экран 8 преобразовывал УФ изображение в видимое. Видимое изображение фокальной области увеличивалось при помоши микроскопа М и регистрировалось ПЗС-камерой С. Эта ПЗС -камера создавала цифровое изображение, компьютерная обработка которого давала как «фотографию», так и осевую денситограмму яркости фокальной области

В результате, для всех перечисленных выше газов, кроме Не и Хе, наблюдались филаменты В изображении, полученном в первом эксперименте в азоте при плотности газа 2 1.4x10м см'3, диаметр филамента не превышает пространственного разрешения = 5 мкм, а длина филамента Ь ^ 2 мм. Филамент не однороден - хорошо видны три пика яркости с пространственной скважностью 5 г 200 мкм. Дифракционная фокальная длина Ьо для данной

геометрии фокусировки составляла = — = 200 мкм, где <1о" 2го = 7 мкм

А

Схема второго эксперимента представлена на рис. 4. Линейно поляризованный КтР ("А. ~ 24В нм) лазерный пучок диаметром ¿1 = 70 мм, пиковой мощностью Ро 2 500 1В г (энергия V £ 250 мДж, длительность то=0.5пс, частота повторения 1 Гц) фокусировался внеосевым параболическим зеркалом с фокусным расстоянием ^ таким, что Г1 /с11 = 3.

Использовалась та же камера взаимодействия, что и в первом эксперименте, но с дополнительным рентгеновским узлом. Во втором эксперименте были задействованы два канала регистрации - оптический и рентгеновский. Оптический канал, как и в первом эксперименте (рис. 3), позволял получать изображение филамента в рассеянном свете на X = 248 нм.

Рентгеновский канал позволял получать оптический сигнал, пропорциональный энергии рентгеновского импульса, выходящего из области фокуса. Он работал следующим образом Пластиковый сцинтиллятор N с временем отклика = 400 мкс, чувствительный к рентгеновскому излучению, размещался в «газовом» объеме на расстоянии = 1 мм от оси. Сцинтиллятор был закрыт пленочным фильтром из Ве толщиной £ 10 мкм, так что на него могло попадать рентгеновское излучение лишь с X < 3.5 нм. Линза Ь передавала изображение видимой вспышки сцинтиллятора N на входное окно фотоумножителя РМ. Электрический сигнал с фотоумножителя РМ, пропорциональный мощности этой вспышки, регистрировался осциллографом «Те1Огошх-520».

РМ

Рис 4 Схема второго эксперимента' R - фокусирующее параболическое (f/З) зеркало, Р - отверстие диаметром s 30 мкм в разделительной фольге, Wi, W^ - входное и выходное окна, N - рентгеновский сцинтиллятор, L - линза, РМ - фотоумножитель

В результате, для всех, кроме Не и Хе, газов при плотностях, превышающих No= 1 35x1020 см'3, наблюдались значительно более однородные филаменты, чем в первом эксперименте Типичная структура канала в азоте при плотности газа Nos 1 4x1020см"3 и 6 s 15° показана на рис. 5.

Из фокальной области наблюдалась эмиссия рентгеновского излучения в спектральном диапазоне 1-3 5 кэВ во всех газах, кроме Не и Хе.

Важнейший результат второго эксперимента: рентгеновский сигнал регистрировался одновременно с изображением филамента. Когда филамент не формировался, рентгеновское излучение также отсутствовало.

Изучение диаграммы направленности рассеянного излучения с длиной волны к s 248 нм, выходящего из области самоканалирования, показало, что оно распределено достаточно равномерно в конусе с 8 < 20°. Наблюдаемое угловое распределение характерно для линейной дифракции.

Рис. 5 Фотография (слева) и осевая денситограмма яркости (справа) фокальной области в азоте при плотности газа = 1.4x10го см'3 и 9 г 15°. Лазерный импульс с Р0/Р,ф г 2 5 распространяется слева направо (стрелка)

Показано, что в экспериментах по самоканалированию все возможные механизмы возникновения излучения на X = 248 нм приводят к одинаковым значениям характерного угла 6, под которым выходит излучение: 6 = 1.22 XIА . Эту формулу можно использовать для определения диаметра филамента по величине максимального угла втах = 20° г 0.35 рад, под которым наблюдается рассеянное излучение:

(1 = 1.22 Л/0=1мкм .

Результаты экспериментов, в которых исследовались Не, N2 и Хе, могут быть объяснены следующим образом [18]. Оценки диаметра филамента <1=1 мкм показывают, что интенсивности излучения внутри филамента достигают I £ 1019 Вт/см2. При этих условиях в результате многофотонной ионизации Не должен быть полностью ионизован Электронная плотность Пе = 4х Ю20 см"3 (у каждого атома Не два электрона, а плотность атомов достигала = 2x1020 см'3) Критическая мощность самофокусировки, соответствующая таким условиям, составляет Ркр = 7 5x1011 Вт. Мощность в экспериментах не превышала Ро = 5x10" Вт. Поэтому в Не филамента быть не могло.

Рассмотрим случай N2. Пороги образования ионов М5+, К'6' и М71 по интенсивности составляют 1.6х1016 Вт/см2, 6.4х1018 Вт/см2 и 1.3x10" Вт/см2, соответственно. Внутренние

области канала содержат N6* Из этого вытекают два следствия Во-первых, должен быть слабым эффект Керра, роль которого падает по мере ионизации все более глубоких электронных состояний в атоме. Во-вторых, электронная плотность для ситуации, показанной на рис 5, должна бьггь Пс 5 1.6x1021 см'3 (в молекуле Nj два атома, а плотность молекул = 1 4x10го см'3). Критическая мощность самофокусировки, соответствующая таким условиям, составляет Ркр s2х]О11 Вт Мощность в первом эксперименте достигала Pos 3x10м Вт, а во втором - Ро s 5x1 о" Вт. Поэтому в N2 филамент должен был образовываться, что и показали эксперименты.

Для Хе сильное двухфотонное поглощение на длине волны эксимерного KrF лазера А = 248 нм приводит к падению мощности излучения в области фокуса. В результате самоканалирование в Хе не развивается.

Определено пространственное разрешение D оптической системы регистрации. Оно составило D s 5 мкм. Существенное превышение пространственным разрешением измеренного диаметра филамента (d s 1 мкм) ничему не противоречит, поскольку измерения поперечного размера филамента основывались не на его изображении в системе регистрации, а на максимальном угле рассеяния излучения из филамента.

Рассмотрен вопрос о соответствии экспериментальных результатов теоретическим расчетам в модели НВУ Измеренный диаметр филамента согласуется с теоретическим Что касается временной модуляции, то поскольку характерная величина мелкомасштабной структуры филамента (5Ь + cAtj) = 75+100 мкм существенно превышает ширину пичков 512 = 30+40 мкм, в структуре филамента мелкомасштабная модуляция должна быть значительно искажена. Значит указанные выше экспериментальные результаты, хотя и не противоречат теоретическим, но не могут дать достоверную информацию о наличии тонкой продольной структуры филамента.

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертации-

1) Выяснены физические механизмы ВР излучения ближнего УФ диапазона наносекундной длительности в жидкостях:

1 1) Обнаружено новое нелинейно-оптическое явление - вынужденное температурное рассеяние, обусловленное нагревом за счет двухфотонного поглощения (двухфотонное ВТР-2) Двухфотонному ВТР-2 в спектре ВР соответствует ранее не известная спектральная линия В отличие от известного линейного (однофотонного) ВТР-2, параметр усиления которого Gt-i « Im х(1) х а (х<3) - кубическая нелинейная восприимчивость, а - коэффициент линейного поглощения), для двухфотонного ВТР-2 Gt-2 Im х<3) уТь (v - коэффициент двухфотонного поглощения, II - интенсивность накачки). Пропорциональность Gt-2 Il

позволяет в эксперименте легко разделять линии линейного и двухфотонного ВТР-2 за счет варьирования It при условии (Ii.xL) = const (L - длина нелинейного взаимодействия). Исчезновение двухфотонного ВТР-2 при уменьшении интенсивности накачки и (IlxL) = const обусловлено пороговых характером BP.

1.2) Обнаружено экспериментально ВРМБ в ближнем УФ диапазоне. При этом спектральный сдвиг рассеянного механизмом ВРМБ излучения накачки с X = 308 нм в гексане ПгОЗЗсм"1 полностью согласуется с теоретическим. Исчезновение ВРМБ при увеличении интенсивности накачки и (IlxL) = const обусловлено нарушением фазового синхронизма из-за двухфотонного нагрева.

2) Показано, что качество ОВФ ухудшается при переходе от ВРМБ к двухфотонному ВТР-2 из-за пространственной фазовой самомодуляции вследствие двухфотонного нагрева и медленной релаксации температурной решетки.

3) Экспериментально определена физическая картина релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного KrF (Я. = 248 нм) лазера в газах: Не, Ne, Аг, Кг, Хе, N2, СО2 .

Результаты экспериментов указывают на формирование режима самоканалированного распространения на длинах, значительно превышающих как дифракционную длину, так и длину самого импульса во всех газах, кроме Не и Хе.

Обнаружена зависимость пространственной структуры филамента от мощности накачки. При Ро/Ркр =15 (Ро - пиковая мощность накачки, Р«р - критическая мощность релятивистско-стрикционной самофокусировки) филамент не однороден - хорошо видны три пика яркости с пространственной скважностью 5 г 200 мкм. При Рг/Рц, s 2.5 филамент гораздо более однороден.

Зарегистрировано рентгеновское излучение в диапазоне 1+3.5 кэВ из области филамента.

Сравнение экспериментальных результатов и численных расчетов в рамках НВУ, учитывающих как релятивистское утяжеление электронов, так и стрикцию, дали удовлетворительное согласие для длины и диаметра филамента. Наблюдение мелкомасштабной продольной структуры импульса, предсказанной теорией, в описанных экспериментах было невозможно вследствие временного размытия импульса в интегральном по времени филаменте.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих статьях:

1 Карпов В Б., Князев И.Н., Коробкин В В., Набойченко А.К 2-х ступенчатый многопроходный ХеС1 лазер с ОВФ-зеркалом // Труды 2-ой Всесоюзной конференции ОВФ-89 - Минск, Институт Физики АН БССР, 1990. - С. 245-249.

2 Бункин Н.Ф., Карпов В.Б. Оптическая кавитация прозрачных жидкостей при широкополосном лазерном облучении // Письма в ЖЭТФ. - 1990, Т. 52, Вып. 1 - С 669-673

3 Карпов В.Б., Набойченко А.К. Исследование оптических схем многокаскадных эксимерных (ХеС1) лазеров // Труды ИОФАН. - Т. 41, Москва: Наука, 1993 - С 173-178

4 Карпов В.Б, Набойченко А.К. Система предионизации коротким электронным пучком и рентгеновским излучением для компактных электроразрядных эксимерных лазеров // Труды ИОФАН. - Т. 41, Москва: Наука, 1993. - С. 179-182.

5 Karpov V В , Knyazev I.N., Korobkin V.V, Naboichenko А К. Multistage excimer system "CACTUS" with PC mirror and pulse length transformer // Short Wavelength Lasers and Their Applications -NY, USA, Nova Science Publisher Inc., 1991. - P. 391-399.

6 Karpov V.B, Knyasev IN, Korobkin V.V., Prokhorov A.M. Excimer XeCl laser with narrowband output spectrum // Proc. Int Conf. LASERS-89. - VA, USA, STS PRESS, 1990. - P. 325-329.

7 Karpov V B, Korobkin V.V., DolgolenkoD.A. Multistage excimer XeCl laser installation and some investigations of stimulated scattering in liquids // Proc. Int Conf. ECO-4 - The Hague, Netherlands, 1991.

8. Карпов В Б., Коробкин В.В., Долголенко Д.А Обращение волнового фронта излучения эксимерного XeCl лазера//Квантовая Электроника. - 1991, Т 18,No И.-С. 13501353

9 Karpov V В., Korobkin V V., DolgolenkoD A Phase conjugation of excimer XeCl radiation by different kinds of stimulated scattering //Phys. Lett. A. - 1991, Vol. 158. - P. 350-356.

10. Карпов В.Б., Коробкин В.В., Долголенко Д.А Влияние многофотонного поглощения на вынужденное рассеяние и обращение волнового фронта излучения XeCl лазера // Изв. РАН, сер Физическая. - 1992, Т. 56, No. 8. - С. 169-177.

11. Karpov VB., Korobkin V.V, Dolgolenko D.A. Influence of multiphoton absorption on stimulated scattering and phase conjugation of excimer XeCl laser radiation // Proc SPIE - 1992 (Proc Int. Conf. KINO-91).

12. Karpov V.B., Korobkin V.V., Dolgolenko D.A. Phase synchronism breakdown and phase conjugation quality deterioration caused by multiphoton absorption of radiation in nonlinear medium // Proc. Int. Conf. LASERS-91. - San Diego, USA, 1992.

13 Карпов В.Б., Коробкин В.В., Долголенко Д.А. Изменение механизма вынужденного рассеяния и качества ОВФ под влиянием многофотонного поглощения // Оптический Журнал. - 1992, No. 9. - С. 13-19.

14. Borisov А.В., Borovskiy A.V., Shiryev О.В., Karpov V.B., Korobkin VV., Prokhorov A M , Solem J.C , McPherson A , Luk T.S , Boyer К, Rhodes Ch К Investigation of relativistic and charge-displacement self-channeling of intense subpicosecond ultraviolet (248) radiation in plasmas // X-Ray Lasers 1992, ed. by Fill E - Bristol, UK, IOP Publishing Ltd., 1992 - P. 229.

15 Karpov V.B Influence of multiphoton absorption on stimulated scattering and phase conjugation // 1993 OSA Annual Meeting, October 3-8, 1993, Toronto, Canada - 1993, OSA Technical Digest Series, Vol. 16, WL3. - P. 113.

16 Borisov А В., Shi X., Shiryev O.B , McPherson A., Boyer K., Karpov VB , Korobkin V.V, Rhodes Ch К Optimization of self-channeling of relativistically intense laser beams in underdense plasmas // Short Wavelength 5V, OSA Proc. Ser. Vol. 17, Corkum P.B and Perry M.D. eds. - 1993, Washington, D.C., USA, OSA. - P. 50.

17 Shi X , Borisov А В , Karpov V.B., Korobkin V.V, Shiryaev O.B , Solem J.C , McPherson A , Boyer К , and Rhodes С К Stable self-channeling of intense ultraviolet pulses in underdense plasma producing channels exceeding 100 Rayleigh lengths // J. Opt. Soc. Am В - 1994, Vol 11, No. 10 - P. 1941-1947.

18 Боровский А В., Галкин A.JI., Карпов В.Б., Коробкин В.В , Роудс ЧК Численное исследование в рамках нелинейпого волнового уравнения экспериментов по наблюдению самоканалирования ультракороткого мощного импульса KrF-лазера в азоте // Труды ИОФАН, Том. 50 - Москва- Наука. Физматлит, 1995. - С. 83-99.

19 Borovskiy А V , Galkin A.L , Karpov V.B Temporal modulation of a powerful ultrashort laser pulse in a medium with relativistic and charge-displacement nonlinearity // Laser Physics -1996, Vol 6, No. 4.-P. 1-10.

20 Карпов В Б., Коробкин В.В. Определение сечения двухфотонного поглощения по порогу возбуждения двухфотонного ВТР // Краткие Сообщения по Физике ФИАН. - 2004, No 4. - С. 34-38.

21 Карпов В.Б., Коробкин В.В. Вынужденное температурное рассеяние, обусловленное двухфотонным поглощением и экспериментальное наблюдение вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в УФ-диапазоне // ЖЭТФ. - 2005, Т. 127, No. 5. - С. 984-1004.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Statkine M., Bijio I.J., Feldman B.J., and Fisher R.A. Efficient phase conjugation of an ultraviolet XeF laser beam by stimulated Brillouin scattering // Optics Letters - 1982, Vol. 7, No. 3. -P. 108-110.

2. Gower M.C. KrF laser amplifier with phase-conjugate Brillouin reflectors // Optics Letters. -1982, Vol. 7, No. 9. - P. 423-425.

3 Gower M.C Phase conjugation at 193 nm // Optics Letters. - 1983, Vol. 8, No 2. - P 7072

4 Gower M.C., Caro R.G. KrF laser with a phase-conjugate Brillouin mirror // Optics Letters. - 1982, Vol 7, No. 4 - P. 162-164.

5 Armandillo E., Proch D. Highly efficient, high-quality phase - conjugate reflection at 308 nm using stimulated Brillouin scattering // Optics Letters. - 1983, Vol. 8, No. 10. - P. 523-525.

6 Алимпиев С С., Букреев B.C., Вартапетов С.К., Веселовский И.А., Нерсисян В С, Обидин А 3, Прохоров А М Сужение линии и ОВФ излучения ХеС1 лазера // Краткие Сообщения по Физике ФИАН. -1989, No. 12. - С. 11 -13.

7. Davis G.M., Gower M.C. Stimulated Brilouin scattering of a KrF laser // IEEE Joum. of Quantum Electronics. -1991, Vol. 27, No. 3. - P. 496-501.

8 Алимпиев C.C., Букреев B.C, Вартапетов С.К., Веселовский И А, Кусакин В И, Лиханский С В , Обидин А 3 Сужение спектра и ОВФ излучения эксимерного RrF лазера // Квантовая Элекфоника. -1991, Т. 18, No. 1. - С. 89-90.

9. Старунов В С., Фабелинский И.Л. Вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние // УФН - 1969, Т 98, No. 3 -С 441-449.

10. Зельдович Б.Я., Пилипетский Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта -Москва: Наука, 1985.

11. Аскарьян Г.А. // ЖЭТФ. - 1962, т. 42. - С. 1567.

12. Borisov А.В., Borovskiy A.V., Shiryev О.В., Korobkin V.V., Prokhorov A.M., Solem J L., Luk T.S, Boyer K., Rhodes Ch.K. Relativistic and charge-displacement self-channeling of intense ultrashort laser pulses in plasmas // Phys. Rev. A. - 1992, Vol. 45. - P. 5830-5845.

13. Борисов А.Б., Боровский A.B., Коробкин B.B., Прохоров A.M., Роудс Ч.К., Ширяев О.Б Релятивистско-стрикционное самоканалирование интенсивных ультракоротких лазерных импульсов в веществе//ЖЭТФ.-1992, Т. 101, Вып. 4. - С. 1132-1153.

14 Боровский А.В., Галкин А.Л. Лазерная физика. - Москва: ИздАТ, 1996.

15. Borovskiy А.V., Galkin A.L., Shiryev О.В., Auguste Т. Laser physics at relativistic intensities. - Springer-Verlag, 2003.

16. Luk T.S., McPherson A., Gibson G., Boyer K., and Rhodes Ch.K. Ultrahigh-intensity KrF laser system//Optics Letters. - 1989, Vol. 14, No. 20. - P. 1113-1115.

17. Luk T.S., Johann U., Jara H„ Rhodes Ch.K. // Proc. SPIE. - 1990, Vol. 664. - P. 223.

18. Боровский A.B., Галкин AJI., Карпов В.Б., Коробкин В.В., Роудс Ч.К. Численное исследование в рамках нелинейного волнового уравнения экспериментов по наблюдению самоканалирования ультракороткого мощного импульса KrF-лазера в азоте // Труды ИОФАН, Том. 50. - Москва: Наука. Физматлит, 1995. - С. 83-99.

1159^0

РНБ Русский фонд

2006-4 12991

JIPX» 020384 от 05.06.97

Подписано в печать 04.07.05 г. Формат 60x84/16. Бумага писчая №1. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1, 52. Тираж 100 экз. Заказ № 348.

Отпечатано в ООО «Фирма Алком», г. Москва, ул. Плющиха, д. 55.

Введение.

Часть первая. Вынужденное температурное рассеяние, обусловленное двухфотонным поглощением (двухфотонное ВТР-2) и экспериментальное наблюдение ВРМБ в УФ диапазоне.

Глава 1. Обзор литературы. Вынужденное рассеяние и обращение волнового фронта излучения УФ диапазона.

Глава 2. Физические механизмы вынужденного рассеяния и обращения волнового фронта лазерного излучения.

§ 2.1. Механизмы вынужденного рассеяния.

§ 2.2. Механизмы обращения волнового фронта.

Глава 3. Экспериментальная установка и методика эксперимента.

§ 3.1. Задающий генератор.

§ 3.2. Экспериментальная установка.

§ 3.3. Измерительная система и методика измерений.

Глава 4. Описание экспериментов и экспериментальные результаты.

§ 4.1. Нелинейная жидкость и кюветы.

§ 4.2. Эксперименты.

Глава 5. Анализ и интерпретация экспериментальных результатов.

§ 5.1. Возбуждение различных видов вынужденного рассеяния и двухфотонное поглощение.

§ 5.2. Анализ качества обращения волнового фронта.

§ 5.3. Об учете самофокусировки в экспериментах.

§ 5.4. Влияние двухфотонного поглощения на температурную компоненту вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.

Часть вторая. Релятивистско-стрикционное самоканалироваиие сверхмощного импульса эксимерного KrF лазера (Л — 248 нм) в газах.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы. Механизмы самоканалирования.

Глава 2. Теоретическая модель релятивистско-стрикционного самоканалирования ультракороткого сверхмощного лазерного импульса в плазме.

§ 2.1. Исходные фундаментальные уравнения для поля и плазмы и методика их решения.

§2.2. НВУиНУШ.

§ 2.3. Общая неустойчивость волны в среде с релятивистско-стрикционной нелинейностью.

§ 2.4. Динамическое уширение временных спектров.

§ 2.5. Выводы по формулировке теоретической модели нелинейного распространения.

Глава 3. Численное исследование распространения субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного KrF лазера в модели НВУ.

Глава 4. Экспериментальное исследование самоканалирования субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного KrF лазера при фокусировке в газы.

§ 4.1. Описание экспериментов.

§ 4.2. Возможные механизмы рассеяния лазерного излучения в филаменте.

§ 4.3. Сравнение результатов теории и экспериментов.

Актуальность работы.

Бурное развитие лазерной физики, последовавшее после пионерских работ Н.Г.Басова, А.М.Прохорова и Ч.Таунса привело к созданию лазерных систем с разнообразным набором активных сред (твердые, жидкие, газообразные), способов накачки (оптическая, разрядная, электронная, ядерная и др.), видов резонаторов (устойчивые, неустойчивые), режимов функционирования (непрерывные, импульсные) и с широчайшим диапазоном длин волн излучения.

Совершенствование импульсных лазерных систем позволило получить высокие интенсивности за короткие времена. Тем самым был создан инструмент для исследования нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Для адекватного анализа физических процессов, происходящих при нелинейном взаимодействии лазерного излучения с веществом, требуется, как можно более точно знать временное и пространственное распределение амплитуды импульса. Как правило, картина физического процесса становится более ясной, если в эксперименте используется импульсное лазерное излучение с дифракционной расходимостью ("Fourier-limited" в пространстве), причем длительность импульса т и ширина спектра Av удовлетворяют условию т Av з 1 ("Fourier-limited" во времени). Для получения дифракционной расходимости лазер должен работать в режиме основной поперечной моды ТЕМоо. Методы получения режима "Fourier-limited" во времени для наносекундиых и субпикосекундных длительностей отличаются. Для наносекундных длительностей используется селекция продольных мод резонатора, позволяющая получать генерацию на одной продольной моде (одномодовый режим). Для субпикосекундных длительностей используется метод синхронизации фаз продольных мод, обеспечивающий генерацию цуга субпикосекундных импульсов, из которого потом с помощью затвора вырезается одиночный лазерный импульс (режим с синхронизацией мод).

Как и в других спектральных диапазонах, в ближнем УФ можно выделить две важнейшие области исследования нелинейного взаимодействия излучения с веществом:

1) нелинейная оптика диэлектрической среды;

2) нелинейная оптика плазмы.

Для этих областей требуются лазерные импульсы с различными параметрами. В первом случае нужны такие длительности и интенсивности, чтобы физические процессы в диэлектрической среде (акустические, тепловые, ориентационные и др.), участвующие в исследуемом нелинейно-оптическом взаимодействии, шли достаточно эффективно, но ионизации среды не происходило. Эффективность нелинейно-оптического процесса увеличивается с ростом интенсивности поля, поэтому часто приходится работать на грани порога ионизации среды, как правило, близкого к порогу разрушения диэлектрика. Благодаря участию и молекул, и среды нелинейности в диэлектриках исключительно разнообразны. Необходимость учета большого количества нелинейностей сразу усложняет теоретическое изучение. С другой стороны, умеренные интенсивности не создают особых проблем для экспериментального изучения.

Во втором случае лазерное поле должно обеспечить ионизацию среды и образование плазмы. Сверхвысокие интенсивности возможны только при ультракоротких длительностях. Ультракороткие импульсы ничего, кроме электронов, «не видят», поэтому выбор нелинейности здесь ограничен: либо Керр-эффект, обусловленный деформацией электронных оболочек ионов, либо гидродинамика свободных плазменных электронов. Для сверхвысоких интенсивностей плазма либо полностью ионизована, либо в ней содержатся глубоко ионизованные ионы. В обоих случаях Керр-эффект можно не учитывать. Наличие единственной электронно-плазменной нелинейности упрощает теоретическое изучение. С другой стороны, сверхвысокие интенсивности создают значительные трудности для экспериментального изучения. В частности, существует проблема подвода излучения к месту взаимодействия. Кроме того, существует проблема диагностики «продуктов» взаимодействия, которые сильно поглощаются окружающим газом.

Характер нелинейности среды определяется напряженностями электрического и магнитного полей. Для оптических полей экспериментальное измерение этих напряженностей является сложной проблемой. Такие поля принято характеризовать интенсивностью, измерение которой, даже для фемтосекундного диапазона, не представляет принципиальных сложностей.

Когда говорят об интенсивности импульса, как правило, имеют в виду ее максимальное значение. Интенсивность реального импульса меняется со временем, и каждому ее значению соответствует свой механизм взаимодействия со средой. Представляется целесообразным привести шкалу характерных интенсивностей [1, 2] лазерного излучения.

Шкала характерных интенсивностей

1. Характерная атомная интенсивность 1а.

При интенсивности

1а * 1017Вт/см2, напряженность светового поля равна кулоновскому полю протона Еа на расстоянии порядка Боровского радиуса ао ,

Еа * 5х109В/см.

При Е > Еа дискретная структура атомных уровней не проявляется.

2. Интенсивность, приводящая к туннельной ионизации атомов 1т .

При этой интенсивности атом за счет туннелирования электрона ионизуется за время порядка светового периода. Для dIojz « 1

IT = (w/wa)2 Ia , где а) - частота лазерного поля, а>а = Wa/h, Wa - энергия связи внешнего электрона в атоме. При Wa » 10 эВ и hw « 1 эВ (видимый диапазон)

1Т » 1015Вт/см2.

3. Характерная релятивистская интенсивность 1рел .

При напряженности электрического поля

Е = Ерел = mwc/e , энергия осцилляций электрона становится сравнимой с его энергией покоя. Соответственно, релятивистская интенсивность

1рел = П12(У2С3/4л"е2 характеризует границу релятивистской нелинейной оптики свободных электронов. Для частот видимого диапазона

1рел « 1019Вт/см2.

4. Порог лавинного оптического пробоя 1пр .

Конденсированная среда и не слишком разреженный газ ионизуется при интенсивностях света 1пр, гораздо ниже не только чем 1а, но и чем 1т. Главной причиной ионизации в этом случае становится лавинное размножение свободных электронов, набирающих энергию в поле световой волны.

В газе пороговая интенсивность лавинного пробоя г rjmcWa(l + 6>24)lnNKp пр 2яе2гстг N0

Здесь Тст - характерное столкновительное время, NKp и No - критическая (приводящая к пробою) и начальная плотности электронов, т - длительность лазерного импульса. Зависимость от длительности импульса 1Пр ос 1/т имеет особое значение. В поле импульса длительностью тт;п, для которого 1Пр(тт|П) = It , реализуется предельная прозрачность среды, определяемая туннельной ионизацией.

Эффективность нелинейных взаимодействий и самовоздействий световых волн тем выше, чем больше напряженность поля. В диэлектриках ограничительный параметр - оптическая прочность среды. Для наиосекундных лазерных импульсов при со/соа« 1 лавинный пробой прозрачных кристаллов и стекол происходит при

1„р« Ю10ч-ЮпВт/см2.

Поскольку 1пр ос 1/т, есть все основания ожидать существенного повышения порога пробоя в поле фемтосекуидных импульсов. Теоретическая оценка дает при т « 10 фс значение 1пр « 1014Вт/см2. Повышение порога пробоя в поле фемтосекуидных импульсов до значении 1013-И014Вт/см2 приводит к тому, что нелинейная добавка Пг1 к показателю преломления сравнивается с невозмущенным линейным значением. В этих условиях самофокусировка и поперечная пространственная самомодуляция будут существенно отличаться от хорошо изученных в средах со слабой нелинейностью.

Эффективность нелинейно-оптических процессов, основанных на взаимодействии волн с различными частотами, определяется соотношением нелинейной длины энергообмена Ьнл, длины группового запаздывания Ьф и длины дисперсионного расплывания Ьд. Условие эффективного преобразования

Ь„л < min(Lrp, Ьд) тем легче выполнить, чем выше 1пр, поскольку Ьнл ос 1/Е. Например, для среды с квадратичной нелинейностью Ьнл = (к^(2)Е)~\ Если напряженность светового поля ид^(2) столь велики, что нелинейная длина энергообмена меньше обратной расстройки волновых векторов

Ьнл = (кдг(2)Е)"1<(Дк)-1, то условия фазового синхронизма практически не влияют на эффективность нелинейного взаимодействия.

В нелинейной оптике диэлектрической среды важную роль играют различные виды вынужденного рассеяния света. К ним относятся: вынужденное рассеяние Манделыптама-Бриллюэна (ВРМБ); вынужденное температурное рассеяние, обусловленное электрокалорическим эффектом (ВТР-1) и линейным поглощением (линейное ВТР-2); вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР) и др. Первая часть настоящей диссертации посвящена исследованию вынужденного рассеяния излучения ближнего УФ диапазона при наносекундной длительности импульса.

К нелинейной оптике плазмы относится, в частности, релитивистско-стрикционное самоканалирование. Вторая часть настоящей диссертации посвящена исследованию этого явления для субпикосекундного импульса ближнего УФ диапазона.

Сначала остановимся на первой части диссертации.

Вынужденное рассеяние (BP) света находит широкое применение в научных исследованиях и практических приложениях. Одно из важнейших приложений BP -самообращение волнового фронта (ОВФ при BP), открытое в лаборатории КРФ (ФИАН) в 1971 г. (авторы - В.В.Рагульский, В.И.Поповичев, Ф.С.Файзуллов»),

Изучение физических механизмов BP в различных областях спектрального диапазона представляет значительный интерес. Экспериментальное изучение BP проводилось ранее преимущественно для ближнего ИК диапазона излучения лазеров на рубине (А = 0.69мкм) и на неодимовом стекле (А=1.06мкм) [3]. Многофотонное поглощение в ИК диапазоне не проявлялось, поскольку для попадания в электронный резонанс с энергией ~ ЮэВ требовалось ~5-г10 ИК фотонов с энергией ~ 1-ь2эВ. Теоретическое изучение BP проводилось с учетом экспериментальных результатов, полученных преимущественно для ближнего ИК диапазона.

Экспериментальное изучение ОВФ при BP излучения ближнего УФ диапазона было начато в [4 -10]. В качестве источников накачки применялись эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов: ArF (Л = 193 нм), KrF (А = 248 нм), XeCl (А = 308 нм), XeF (А = 351 нм). Было показано, что при использовании наносекундного излучения с

Q "У 1 интенсивностью I > 10 Вт/см и шириной спектра Ду<0.2см" возможно получение ОВФ при BP назад в жидкостях, прозрачных в ближнем УФ диапазоне (гексан, гептан, изоооктан и др.).

Однако ряд вопросов требует дальнейшего изучения. Так, в [4 -10] утверждалось, что физическим механизмом наблюдаемого BP является ВРМБ. При этом величины спектральных сдвигов BP пучка относительно накачки, экспериментально измеренные в этих работах, значительно расходятся с теоретическими значениями, получаемыми на основе известной теории ВРМБ [И, 12]. В [5] было обнаружено ухудшение качества ОВФ при ВРМБ при небольшом превышении интенсивностью накачки порога. Это также требует изучения, поскольку качество ОВФ при ВРМБ в прозрачных средах должно улучшаться с ростом интенсивиости накачки ввиду прямой зависимости амплитуды гиперзвуковой волны от амплитуды лазерного поля [11,12].

Теперь остановимся на второй части диссертации.

Взаимодействие мощных лазерных импульсов с веществом является предметом активных теоретических и экспериментальных исследований на протяжении нескольких десятилетий. Особый интерес представляет самовоздействие при нелинейном распространении лазерного излучения в веществе. Эта область лазерной физики ведет свое начало с работы Г.А.Аскарьяна [13], предсказавшего самофокусировку светового пучка.

Большой интерес вызывают режимы распространения ультракоротких лазерных импульсов при релятивистских иптенсивностях, в частности, релятивистско-стрикционное самоканалирование. Это физическое явление было предсказано теоретически в [14,15]. Оно характеризуется тем, что лазерный импульс сжимается к оси, увеличивая свою интенсивность в сотни раз. На нелинейную динамику ультракороткого сверхмощного лазерного импульса в веществе оказывают влияние следующие факторы:

1) Формирование передним фронтом импульса плазменного шнура вследствие нелинейной ионизации атомов и ионов.

2) Нелинейное изменение свойств среды. Для мощных импульсов длительностью г < 1 пс несущественны инерционные механизмы формирования нелинейности среды, связанные с ионной компонентой плазмы. В то же время, работают безинерционные механизмы, связанные с электронной компонентой. Таких механизмов два. Во-первых, релятивистское увеличение масс свободных электронов, осциллирующих в интенсивном оптическом поле со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Во-вторых, выталкивание свободных электронов пондермоторной силой из области, занятой сильным полем. Вследствие малых длительностей тяжелые ионы не успевают существенным образом изменить своего положения в пространстве. Вытолкнутые электроны удерживаются вблизи канала электростатическими силами, возникающими при разделении зарядов в плазме.

Процесс протекает следующим образом. Вначале в результате релятивистской самофокусировки формируется мощный фокус. В области фокуса становится существенной электронная стрикция, которая компенсирует поперечную дифракцию и приводит к динамической модуляции импульса по продольной координате. Благодаря стрикции, внутри импульса образуется система областей (или одна область) с пониженной концентрацией электронов, которая перемещается вместе с импульсом. Самосогласованная система - электромагнитное поле + среда - распространяется на расстояния L, во много раз превосходящие как длину импульса тс, так и дифракционную длину Ld. При этом на длине L не существует сплошного канала.

Канал или филамент здесь - это интегральная по времени наблюдения траектория или след движения сгустка электромагнитного поля с малыми продольными и поперечными размерами.

Релятивистские интенсивности получены экспериментально при фокусировке излучения эксимерных и твердотельных лазерных систем. Так, для длин волн А = 248 нм (KrF эксимерный лазер) и А = 1.06 мкм (лазер на неодимовом стекле) при длительности импульса т < 1 пс и диаметре пучка З-f-lO мкм, интенсивность излучения в фокальной каустике достигает I s 1017-г1019Вт/см2.

Значительная часть численных расчетов самоканалированного распространения была выполнена для эксимерного KrF лазера [16]. Поэтому наибольший экспериментальный интерес представляет исследование релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундного импульса KrF лазера (А = 248 нм).

В диссертации решались важные научные проблемы:

1) Выяснение физических механизмов вынужденного рассеяния (BP) и оптимизация качества ОВФ при BP излучения ближнего УФ диапазона наносекундной длительности.

2) Экспериментальное установление физической картины релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундных импульсов ближнего УФ диапазона.

Результаты, полученные в работе, вносят существенный вклад в развитие лазерной физики:

1) Обнаружено новое нелинейно-оптическое явление - вынужденное температурное рассеяние, обусловленное нагревом за счет двухфотонного поглощения (двухфотонное ВТР-2). Двухфотонному ВТР-2 в спектре BP соответствует ранее не известная спектральная линия.

2) Обнаружено экспериментально ВРМБ в ближнем УФ диапазоне. При этом спектральный сдвиг рассеянного механизмом ВРМБ излучения полностью согласуется с теоретическим. Исчезновение ВРМБ при увеличении интенсивности накачки обусловлено нарушением фазового синхронизма из-за двухфотонного нагрева.

3) Создана многокаскадная эксимерная ХеС1 лазерная система, обеспечивающая получение на длине волны Л = 308 нм импульса длительностью s 8 не и энергией ^ 3 мДж с одной продольной модой и дифракционной расходимостью.

4) Показано, что качество ОВФ ухудшается при переходе от ВРМБ к двухфотонному ВТР-2 из-за пространственной фазовой самомодуляции вследствие двухфотонного нагрева и медленной релаксации температурной решетки.

5) Предложена методика определения сечения двухфотонного поглощения среды по порогу появления двухфотонного ВТР-2. По этой методике определено сечение двухфотонного поглощения гексана (СбНн) на длине волны Л = 308 нм г2 ^ (2 ± 1)х10"5Осм4 с.

6) Обнаружена зависимость пространственной структуры филамента от интенсивности накачки при релятивистско-стрикционном самоканалировании ультракороткого сверхмощного импульса эксимерного KrF лазера в газах.

7) Обнаружена эмиссия рентгеновского излучения в диапазоне l-f3.5 кэВ из области филамента.

8) Предложена методика изучения взаимодействия сверхмощного лазерного изучения с газовой мишенью, в которой устраняется влияние газа на распространение лазерного пучка до фокальной области, для чего пучок фокусируется на маленькое отверстие в фольге, разделяющей камеру на два объема, причем расположенная перед фольгой часть камеры откачивается.

Целью диссертации являлось изучение нелинейного распространения лазерного излучения ближнего УФ диапазона, в частности:

1) Экспериментальное и теоретическое изучение BP и ОВФ излучения ближнего УФ диапазона наносекундной длительности в жидкостях. Установление причин несоответствия результатов предшествующих экспериментов теории BP.

2) Экспериментальное изучение релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного KrF лазера в газах. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическими.

Научная новизна. Все результаты, представленные в диссертации получены впервые.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) Новое нелинейно-оптическое явление - двухфотонное ВТР-2 может найти применение в практических приложениях, использующих взаимодействие лазерного излучения с диэлектрической средой. Например, в лазерной медицине и лазерной обработке материалов. Оно позволяет извлекать информацию об изучаемом предмете по спектральному составу рассеянного излучения.

2) Пороговая по интенсивности природа двухфотонного ВТР-2 может быть использована для контроля интенсивности лазерного импульса.

3) Двухфотонное ВТР-2 может быть использовано для определения сечения двухфотонного поглощения.

4) Результаты, полученные по оптимизации качества ОВФ, могут найти применение в специальных лазерных системах, использующих ОВФ для компенсации аберраций и автоматического наведения мощного лазерного импульса на цель.

5) Исследованный экспериментально эффект релятивистско-стрикционного самоканалирования позволяет осуществить уникальную самоконцентрацию оптической лл энергии в узком длинном канале и достичь интенсивиостей вплоть до 10 Вт/см . Данный эффект может быть использован для создания рентгеновского лазера, генерации сверхсильных магнитных полей, гармоник, нейтронов и др.

Личный вклад автора. Все изложенные в диссертации новые научные результаты получены лично автором или совместно с соавторами при его непосредственном участии.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на семинарах Отдела колебаний, Отдела волновых явлений, Отдела когерентной и нелинейной оптики ИОФ РАН; семинарах University of Illinois at Chicago и Illinois Iinstitute of Technology (Чикаго, США), Max-Born-Institute (Берлин, ФРГ), на всесоюзной конференции "ОВФ-89", Минск, 1989; международной конференции "LASERS-89", США, 1989; международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их приложения", Самарканд, 1990; международной конференции "КИНО-9Г, Санкт-Петербург, 1991; общеевропейской конференции по оптике "ЕСО-4", Нидерланды, 1991; международной конференции MLASERS-91", США, 1991; конференции "X-Ray Lasers 1992'Y Мюнхен, Германия; конференции "Short Wavelength 5V", США, 1993; конференции "Optical Society of America", Торонто, Канада, 1993.

Результаты, полученные в диссертации, представлены в качестве базовых экспериментов в обзорах и монографиях по лазерной физике, например, в [16, 17].

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе. Из них статей: в российских журналах — 10, в иностранных журналах - 2, в трудах конференций - 9.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, двух Частей и Заключения. Работа изложена на 246 страницах, содержит 30 рисунков и список литературы из 83 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ к Части первой

Представленная работа посвящена выяснению физических механизмов вынужденного рассеяния (BP) и обращения волнового фронта (ОВФ) наносекундных импульсов ближнего УФ диапазона в жидкостях.

Проблемы, накопившиеся в данной области, носили комплексный характер. Они затрагивали как временное, так и пространственное поведение лазерного излучения при BP. Во временном поведении существовала проблема спектрального сдвига. В пространственном поведении существовала проблема ухудшения качества ОВФ при увеличении интенсивности накачки.

Для решения этих проблем была создана экспериментальная установка на базе эксимерного ХеС1 (Л = 308 нм) лазера, которая позволяла получать одномодовый импульс длительность 8 не, энергией s 3 мДж и спектральной шириной s 5х10"3см''. В качестве нелинейной среды был выбран жидкий гексан (СбНн). На этой установке были проведены эксперименты по изучению как временного спектра BP, так и качества ОВФ при BP. Анализ полученных экспериментальных результатов показал, что известная теория BP, учитывающая только линейное поглощение, не способна их объяснить.

Только введение нового физического механизма BP - вынужденного температурного рассеяния, обусловленного нагревом вследствие двухфотонного поглощения (двухфотонного ВТР-2) позволило разрешить все эти проблемы.

Во-первых, было показано, что, наблюдаемая в предшествующих экспериментах, линия «неправильного ВРМБ» с сильно уменьшенным спектральным сдвигом на самом деле была несмещенной линией двухфотонного ВТР-2.

Во-вторых, было показано, что, наблюдаемое в предшествующих экспериментах, «ухудшение качества ОВФ при ВРМБ из-за увеличения интенсивности накачки» на самом деле связано с ухудшением качества ОВФ при двухфотонном ВТР-2 из-за того, что, в отличие от ВРМБ, механизм двухфотонного ВТР-2 сопровождается тепловым самовоздействием и характеризуется сравнительно большим временем релаксации.

В-третьих, по экспериментальному порогу возбуждения двухфотонного ВТР-2 было определено сечение двухфотонного поглощения нелинейной среды (гексана) на А = 308 нм. Величина полученного таким образом сечения, с одной стороны, доказывает физическую реалистичность самого механизма двухфотонного ВТР-2. С другой стороны, двухфотонное поглощение с таким сечением объясняет некоторые экспериментальные результаты, в частности, подавления ВРМБ из-за нарушения фазового синхронизма при нагреве с учетом двухфотонного поглощения.

При сравнении свойств линейного ВТР-2 и двухфотонного ВТР-2, было показано, что это два совершенно разных физических механизма BP, которые обладают легко разделяемыми линиями в спектре BP.

Именно то, что поведение спектральной линии двухфотонного ВТР-2 в экспериментах абсолютно не соответствует хорошо известному поведению линии линейного ВТР-2, и привело к тому, что в предшествующих экспериментальных работах по изучению BP излучения ближнего УФ диапазона в течение «10 лет линия двухфотонного ВТР-2 ошибочно принималась за линию ВРМБ.

Настоящего ВРМБ в УФ диапазоне в предшествующих экспериментах вообще не наблюдалось. Настоящую линию ВРМБ в УФ диапазоне в наших экспериментах удалось обнаружить только после существенного уменьшения интенсивности накачки, сохраняя неизменными условия возбуждения ВРМБ, т.е. (IlxL) = const. Это позволило уменьшить двухфотонную составляющую в суммарном коэффициенте поглощения гексана и, тем самым, ослабить влияние на ВРМБ нарушения фазового синхронизма из-за двухфотонного нагрева.

Механизм двухфотонного ВТР-2, имеет отношение не только к ближнему УФ диапазону спектра и к конкретным жидкостям, а, как и любой другой механизм BP, носит общий характер.

Рассмотрено влияние двухфотонного поглощения на возбуждение температурной компоненты ВРМБ. Показано, что в стоксовой области оно должно проявляться в небольшом увеличении бриллюэновского сдвига с ростом интенсивности накачки. В антистоксовой области положительное усиление возможно только при достаточно высоких интенсивностях накачки. к Части второй

Часть 2 настоящей диссертации посвящена изучению релятивистско-стрикционного самоканалирования излучения ближнего УФ диапазона в газах.

Сформулирована постановка физико-математической модели. Рассмотрены результаты численных расчетов, выполненных в рамках этой модели.

Экспериментально определена физическая картина релятивистско-стрикционного самоканалирования субпикосекундных сверхмощных импульсов эксимерного KrF (А = 248 нм) лазера в газах: Не, Ne, Аг, Кг, Хе, N2, СО2 .

Результаты экспериментов указывают на формирование режима самоканалированного распространения на длинах, значительно превышающих как дифракционную длину, так и длину самого импульса во всех газах, кроме Не и Хе.

Обнаружена зависимость пространственной структуры филамента от мощности накачки. При Ро/РКр s 1.5 (Ро - пиковая мощность накачки, Ркр - критическая мощность релятивистско-стрикциоиной самофокусировки) филамент не однороден - хорошо видны три пика яркости с пространственной скважностью 6 s 200 мкм. При Ро/Ркр = 2.5 филамент гораздо более однороден.

Зарегистрировано рентгеновское излучение в диапазоне l-f3.5 кэВ из области филамента.

Сравнение экспериментальных результатов и численных расчетов в рамках нелинейного волнового уравнения (НВУ), учитывающих как релятивистское утяжеление электронов, так и стрикцию, дали удовлетворительное согласие для длины и диаметра филамента. Наблюдение мелкомасштабной продольной структуры импульса, предсказанной теорией, в описанных экспериментах было невозможно вследствие временного размытия импульса в интегральном по времени филаменте.

Таким образом, результаты экспериментов укладываются в рамки теории самоканалирования, опирающейся на НВУ с релятивистско-стрикционной нелинейностью.

В заключение автор выражает искреннюю признательность проф. В.В.Коробкину за многолетнее плодотворное научное сотрудничество. Автор благодарен проф. Н.Б.Делоне за ценные дискуссии по сечению двухфотонного поглощения и д-ру О.Б.Ширяеву за ценные дискуссии по математической модели самоканалирования.

1. Ахманов С.А. Сверхсильные световые поля в нелинейной оптике, физике плазмы, технике рентгеновских источников // Итоги Науки и Техники. Современные проблемы лазерной физики. - Т. 4, Москва, 1991. - С. 5-18.

2. Фабелинский И.Л. Молекулярное рассеяние света. Москва: Наука, 1965.

3. Statkine М., Bijio I.J., Feldman B.J., and Fisher R.A. Efficient phase conjugation of an ultraviolet XeF laser beam by stimulated Brillouin scattering // Optics Letters. 1982, Vol. 7, No. 3. - P. 108-110.

4. Gower M.C., Caro R.G. KrF laser with a phase-conjugate Brillouin mirror // Optics Letters. 1982, Vol. 7, No. 4. - P. 162-164.

5. Gower M.C. KrF laser amplifier with phase-conjugate Brillouin reflectors // Optics Letters. 1982, Vol. 7, No. 9. - P. 423-425.

6. Gower M.C. Phase conjugation at 193 nm // Optics Letters. 1983, Vol. 8, No. 2. - P. I 70-72.

7. Armandillo E., Proch D. Highly efficient, high-quality phase conjugate reflection at 308 nm using stimulated Brillouin scattering // Optics Letters. - 1983, Vol. 8, No. 10. - P. 523-525.

8. Алимпиев C.C., Букреев B.C., Вартапетов C.K., Веселовский И.А., Нерсисян B.C., Обидин А.З., Прохоров A.M. Сужение линии и ОВФ излучения ХеС1 лазера // Краткие Сообщения по Физике ФИАН. 1989, No. 12. - С. 11-13.

9. Davis G.M., Gower M.C. Stimulated Brilouin scattering of a KrF laser // ШЕЕ Joum. of Quantum Electronics. -1991, Vol. 27, No. 3. P. 496-501.

10. Старунов B.C., Фабелинский И.Л. Вынужденное рассеяние Мандельштамаk

11. Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние // УФН. 1969, Т. 98, No. 3.-С. 441-449.

12. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. Москва: Наука, 1985.

13. Аскарьян Г.А. //ЖЭТФ. 1962, Т. 42. - С. 1567.

14. Борисов А.Б., Боровский A.B., Коробкин B.B., Прохоров A.M., Роудс Ч.К., Ширяев О.Б. Релятивистско-стрикционное самоканалирование интенсивных ультракоротких лазерных импульсов в веществе // ЖЭТФ. 1992, Т. 101, Вып. 4. - С. 1132-1153.

15. Боровский А.В., Галкин А.Л. Лазерная физика. Москва: ИздАТ, 1996.

16. Borovskiy A.V., Galkin A.L., Shiryev О.В., Auguste Т. Laser physics at relativistic intensities. Springer-Verlag, 2003.

17. Баранов В.Ю., Борисов B.M., Степанов Ю.Ю. Электроразрядные эксимерные лазеры на галогенидах инертных газов. Москва: Энергоатомиздат, 1988.

18. Feldman B.J., Fisher R.A., and Shapiro S.L. Ultraviolet phase conjugation // Optics Letters. 1981, Vol. 6, No. 2. - P. 84-86.

19. Алимпиев C.C., Букреев B.C, Вартапетов С.К., Веселовский И.А., Кусакин В.И., Лиханский С.В., Обидин А.З. Сужение спектра и ОВФ излучения эксимерного KrF лазера // Квантовая Электроника. -1991, Т. 18, No. 1. С. 89-90.

20. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Москва: Наука, 1989.

21. Кузьмин В.В. Нарушение фазового синхронизма при вынужденном рассеянии света//Труды ФИАН. Т. 207, Москва: Наука, 1991. - С. 3-39.

22. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. Москва: Наука, 1991.

23. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Москва: Наука, 1970.

24. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. Москва: Наука, 1979.

25. Сущинский М.М. Вынужденное рассеяние света. Москва: Наука, 1985.

26. Зельдович Б.Я., Собельман И.И. Вынужденное рассеяние света, обусловленное поглощением //УФН. 1970, т. 101. - С. 3-20.

27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая Физика. Том 8. Электродинамика сплошных сред. - Москва: Наука, 1982.

28. Михайлов И.Г., Соловьев В.А, Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. Москва: Наука, 1964.

29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая Физика. Том 5. Статистическая физика. Часть 1. - Москва: Наука, 1976.

30. Карамзин Ю.Н., Сухоруков А.П., Трофимов В. А. Математическое моделирование в нелинейной оптике. Москва: Изд-во Московского Университета, 1989.

31. Pohl D. and Kaiser W. Time-resolved investigations of stimulated Brillouin scattering in transparent and absorbing media: determination of photon lifetimes // Phys. Rev. В. 1970, Vol. 1,-P. 31-43.

32. Григорьев С.Ф., Заскалько О.П., Кузьмин B.B. Особенности ВРМБ в поглощающих средах // ЖЭТФ. 1987, Т. 92, No. 4. - С. 1246-1255.

33. Карпов В.Б., Князев И.Н., Коробкин В.В, Набойченко А.К. 2-х ступенчатый многопроходный ХеС1 лазер с ОВФ-зеркалом // Труды 2-ой Всесоюзной конференции ОВФ-89. Минск, Институт Физики АН БССР, 1990. - С. 245-249.

34. Бункин Н.Ф., Карпов В.Б. Оптическая кавитация прозрачных жидкостей при широкополосном лазерном облучении // Письма в ЖЭТФ. 1990, т. 52, Вып. 1. - С. 669673.

35. Карпов В.Б., Набойченко А.К. Исследование оптических схем многокаскадных эксимерных (ХеС1) лазеров // Труды ИОФАН. Т. 41, Москва: Наука, 1993.-С. 173-178.

36. Karpov V.B., Knyazev I.N., Korobkin V.V., Naboichenko А.К. Multistage excimer system "CACTUS" with PC mirror and pulse length transformer // Short Wavelength Lasers and Their Applications NY, USA, Nova Science Publisher Inc., 1991. - P. 391-399.

37. Karpov V.B., Knyasev I.N., Korobkin V.V., Prokhorov A.M. Excimer XeCl laser with narrowband output spectrum // Proc. Int. Conf. LASERS-89. VA, USA, STS PRESS, 1990.-P. 325-329.

38. Karpov V.B., Korobkin V.V., Dolgolenko D.A. Multistage excimer XeCl laser installation and some investigations of stimulated scattering in liquids // Proc. Int. Conf. ECO-4. The Hague, Netherlands, 1991.

39. Егоров A.JI., Коробкин B.B., Серов P.B. Одночастотный лазер на неодимовом стекле, работающий в режиме модуляции добротности // Квантовая Электроника. -1975,Т. 2.-С. 513-518.

40. Александров А.Ф., Богданкевич JI.C., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. Москва: Высшая Школа, 1988.

41. Карпов В.Б., Коробкин В.В., Долголенко Д.А. Обращение волнового фронта излучения эксимерного XeCl лазера // Квантовая Электроника. 1991, Т. 18, No. 11. - С. 1350-1353.

42. Келих С. Молекулярная нелинейная оптика. Москва: Наука, 1981.

43. Karpov V.B., Korobkin V.V., Dolgolenko D.A. Phase conjugation of excimer XeCl radiation by different kinds of stimulated scattering // Phys. Lett. A. 1991, Vol. 158. - P. 350-356.

44. Карпов В.Б., Коробкин В.В., Долголенко Д.А. Влияние многофотонного поглощения на вынужденное рассеяние и обращение волнового фронта излучения ХеС1 лазера// Изв. РАН, сер. Физическая. 1992, Т. 56, No. 8. - С. 169-177.

45. Жуков Н.Н., Заскалько О.П., Кузнецов И.Г. Самодифракция неколлинеарно поляризованных лазерных пучков // Квантовая Электроника. 1991, Т. 18, No. 4. - С. 234-240.

46. Kaipov V.B., Korobkin V.V, Dolgolenko D.A. Influence of multiphoton absorption on stimulated scattering and phase conjugation of excimer XeCl laser radiation. // Proc. SPIE.- 1992. (Proc. Int. Conf. KINO-91).

47. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. Москва: Мир, 1989.

48. Но Р.Р., Alfano R.R. Optical Kerr effect in liquids // Phys. Rev. A. 1979, Vol. 20, No. 5.-P. 2170-2182.

49. Gordon A.J., Ford R.A. The chemist's companion. Wiley, 1972.

50. Карпов В.Б., Коробкин B.B. Вынужденное температурное рассеяние, обусловленное двухфотонным поглощением и экспериментальное наблюдение вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в УФ-диапазоне // ЖЭТФ. 2005, Т. 127, No. 5.-С. 984-1004.

51. Карпов В.Б., Коробкин В.В. Определение сечения двухфотонного поглощения по порогу возбуждения двухфотонного ВТР-2 // Краткие Сообщения по Физике ФИАН.- 2004, No. 4. С. 34-38.

52. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Нелинейная ионизация атомов лазернымизлучением. Москва: Физматлит, 2001.

53. Kaipov V.B., Korobkin V.V., Dolgolenko D.A. Phase synchronism breakdown and phase conjugation quality deterioration caused by multiphoton absorption of radiation in nonlinear medium // Proc. Int. Conf. Lasers-91. San Diego, USA, 1992.

54. Карпов В.Б., Коробкин В.В., Долголенко Д.А. Изменение механизма вынужденного рассеяния и качества ОВФ под влиянием многофотонного поглощения // Оптический Журнал. 1992, No. 9. С. 13-19.

55. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. Москва: Наука, 1988.

56. Райнтжес Дж. Нелинейные оптические параметрические процессы в жидкостия и газах. Москва: Мир, 1987.

57. Ахманов С.А., Коротеев Н.И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. Москва: Наука, 1981.

58. Бломбергеп Н. Нелинейная спектроскопия. Москва: Мир, 1979.

59. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая Физика. Том 6. Гидродинамика. -Москва: Наука, 1986.

60. Strickland D. and Mourou G. Сompression оf amplified chirped optical pulses // Optics Communications. 1985, Vol. 56. - P. 219-221.

61. Гордиенко B.M., Джиджоев M.C., Магницкий C.A., Платоненко В.Т. Фемтосекундные эксимерные системы как источники сверхсильных световых полей // Итоги Науки и Техники. Современные проблемы лазерной физики. - Т. 4, Москва, 1991.-С. 19-83.

62. Backus S., Durfee C.G. Ill, Murnane M.M., Kapteyn H.C. High power ultrafast lasers // Review of Scientific Instruments. 1998, Vol. 69, No.3. - P. 1207-1223.

63. Kalachnikov M.P., Karpov V., Schonnagel H. and Sandner W. 100-Terawatt Titanium-Sapphire laser system // Laser Physics. 2002, Vol. 12, No. 2. - P. 368-374.

64. Borovskiy A.V., Korobkin V.V., Prokhorov A.M. Possible applications of self-channeled propagation of powerful ultrashort laser pulses in matter // Laser Physics. 1993, Vol.3.-P. 713-721.

65. Коробкин B.B., Прохоров A.M., Серов P.B., Щелев М.Я. // Письма в ЖЭТФ. -1970, Т.П.-С. 153.

66. Ахиезер А.И., Половин Р.В. //ЖЭТФ. 1956, Т. 30. - С. 915.

67. Борисов А.Б., Боровский А.В., Роудс Ч.К., Ширяев О.Б. Динамика самовоздействия субпикосекундных релятивистских лазерных импульсов в плазме // Труды ИОФАН. Том 41, Москва: Наука, 1993. - С. 3-22.

68. Коробкин В.В., Мотылев С.Л. // Письма в ЖЭТФ. 1978, Т. 27. - С. 557.

69. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая Физика. Том 2. Теория Поля. -Москва: Наука, 1973.

70. Borovskiy A.V., Galkin A.L., Karpov V.B. Temporal modulation of a powerful ultrashort 1 aser p ulse in a medium w ith r elativistic and сharge-displacement nonlinearity // Laser Physics. 1996, Vol. 6, No. 4. - P. 1-10.

71. Беспалов В.И., Таланов В.И. // Письма в ЖЭТФ. 1966, Т. 3. - С. 47.

72. Додд Р., Эйлбек Дж., Гиббон Дж., Моррис X. Солитоны и нелинейные волновые уравнения. Москва: Мир, 1988.

73. LuK T.S., McPherson A., Gibson G., Boyer K., and Rhodes Ch.K. Ultrahigh-intensity KrF laser system // Optics Letters. 1989, Vol. 14, No. 20. - P. 1113-1115.

74. Luk T.S., Johann U., Jara H., Rhodes Ch.K. // Proc. SPIE. 1990, Vol. 664. - P. 223.

75. Karpov V.B. Study of biological samples with a laser Fourier holographic microscope // Laser Physics. 1994, Vol. 4, No. 3. - P. 618-623.

76. Karpov V.B. Ultrahigh contrast imaging with a new laser Fourier holographic microscope of visible range // Coherence Domain Methods in Biomedical Optics, ed. by Tuchin V. Proc. SPIE, Vol. 2732, 1996. - P. 168-186.

77. Буланов C.B. // Докл. Междунар. конф. по коротковолновому излучению и его применениям. Звенигород, 28 Августа 3 Сентября, 1994.