Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью

Воронин, Александр Александрович

Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Воронин, Александр Александрович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью»

Автореферат диссертации на тему "Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи

Воронин Александр Александрович

Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью

01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

16 МАЙ 2013

005058250

Москва - 2013

005058250

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор,

Желтиков Алексей Михайлович

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова (МГУ) Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор,

Ионин Андрей Алексеевич

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИ РАН) д.ф.-м.н.,

Курков Андрей Семенович

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение

науки Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук (ИПЛИТ РАН)

Защита состоится 23 мая 2013г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова, расположенном по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имени С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).

Автореферат разослан « » апреля !

Отзывы и замечания по авторефер, высылать по вышеуказанному адресу*

Ученый секретарь диссертационного совета

веренные печатью, просьба ііі диссертационного совета.

Коновко Андрей Андреевич

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Обладающие сильной нелинейностью и управляемой дисперсией фотонно-кристалличе-скне волокна являются подходящим материалом для создания компактных и эффективных преобразователей частоты, использующихся в микроскопии, спектроскопии, микроскопии биологических структур, оптических линиях связи, а также в физике сверхкоротких импульсов и технологиях на их основе. Возникающие при спектральном преобразовании сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических (ФК) волокнах нелинейно-оптические солитонные эффекты дают возможность эффективной генерации суперконтинуума и генерации перестраиваемых по частоте импульсов. На основе этих явлений возможно создание удобных волоконных источников излучения для нелинейной спектроскопии , мультиплексной когерентной микроскопии комбинационного рассеяния света , визуализации биологических объектов и эндоскопии , а так же для оптической информации и телекоммуникационных технологий. Рамановский эффект в материале оптического волокна приводит к возникновению запаздывающей части оптической нелинейности, индуцируя красный сдвиг сверхкоротких лазерных импульсов, распространяющихся в волокне. В режиме аномальной дисперсии это явление, известное как солитонный самосдвиг частоты (ССЧ), позволяет перестраивать длину волны коротких лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне. Наиболее богатый спектральный состав в генерируемом излучении часто получается в режимах, которые включают в себя комбинацию нескольких нелинейно-оптических процессов и влияние дисперсии среды. Наиболее яркими примерами подобного типа взаимодействий являются генерация суперконтинуума в высоконелинейных волокнах или филаментах. Филаментация сверхкоротких лазерных импульсов — одно из наиболее интересных открытий в современной оптике. В оптике сверхбыстрых процессов филаментация лазерного излучения находит все больше применений как мощный метод компрессии импульсов, позволяя возможность генерации импульсов с длительностями в несколько периодов оптического поля со стабильной фазой огибающей с высокой пиковой мощностью внутри широкого диапазона частот от дальнего ультрафиолетового (УФ) до ближнего и среднего инфракрасного (ИК).

Эффективность взаимодействия лазера с веществом растет по закону IX2, где I -интенсивность поля, А - длина волны излучения, поэтому важной задачей является поиск практического решения проблемы генерации сверхкоротких импульсов с большой длиной волны и высокой мощностью, эти поиски привели к возрождению газовых лазеров, работающих в среднем ИК диапазоне. Известно, что столкновительное уширение вращательных и колебательных линий активной среде СО2 лазеров, дает широкую спектральную полосу для эффективного усиления пикосекундных лазерных импульсов. Газовые лазеры,

использующие этот принцип, недавно достигли тераваттпого уровня пиковой мощности, открывая перспективные возможности ускорения частиц до релятивистских скоростей и исследования новых интересных режимов взаимодействия лазерного поля с веществом.

Цель диссертационной работы состоит в теоретическом исследовании новых физических эффектов и разработке новых эффективных методик управления спектром сверхкоротких лазерных импульсов с помощью микроструктурированных волокон, генерации мощных перестраиваемых по частоте сверхкоротких лазерных импульсов в полых волноводах и высокоэффективной компрессии мощных лазерных импульсов в условиях сверхбыстрой ионизации.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:

I. Энергия выходящих из ФК волокон спектрально преобразованных импульсов обычно достаточно мала, что серьёзно ограничивает спектр приложений подобных источников света в науке и оптических технологиях. Проведённый в работе анализ показывает, что пиковая мощность перестраиваемых по частоте солитонов в ФК волокне может достичь мегаваттного уровня.

II. Дисперсия высших порядков, волоконные потери, частотная зависимость оптической нелинейности, как известно, факторы, замедляющие солитонный самосдвиг частоты (ССЧ) В работе показано, что самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса является важным фактором, приводящим к замедлению ССЧ.

III. В общем случае профиль спектральной фазы суперконтинуума шириной в несколько октав имеет тенденцию быть чрезмерно сложным для целей прямой компрессии. Проведенный в работе анализ открывает технологию синтеза импульсов длительностью в несколько периодов поля с помощью когерентного сложения сдвинутых по частоте солитонов, полученных в ФК волокне, работающем в многосолитонном режиме.

IV. Такие оптические процессы, как когерентная рамановская микроскопия, оптимальное усиление излучения волоконных лазеров, или передача оптической информации без искажений, часто требуют спектрального сужения световых импульсов одновременно с возможностью перестройки их центральной частоты. В работе продемонстрировано, что фемтосекундные лазерные импульсы могут быть спектрально сжаты в режиме ССЧ.

V. Высокая чувствительность ССЧ к мощности начального импульса вызывает серьёзные трудности в основанных на эффекте ССЧ волоконно-оптических системах. В работе показано, что управление волоконной дисперсией и нелинейностью помогает оптимизировать волоконные компоненты для стабильного относительно флуктуаций мощности накачки ССЧ.

VI. Увеличение интенсивности излучения лазерных систем и расширение области применений оптики сверхбыстрых процессов к реальным сложным системам, требует развития эффективных и практически осуществимых методов нелинейно-оптических спектральных

преобразований световых импульсов длительностью в несколько оптических периодов ПОЛЯ. В работе показано, что взаимодействие сверхкороткого импульса поля с когерентно возбужденной комбинационно-активной средой позволяет генерировать перестраиваемые по частоте мультигигаваттные световые импульсы длительностью меньше половины периода оптического поля.

VII. В отличие от титан-сапфировых усилителей лазерных импульсов, иттербиевые усилители с диодной накачкой открывают перспективные возможности увеличения мощности из-за низкого квантового дефекта. Ключевой недостаток сверхкоротких импульсов иттер-биевых систем - узкая полоса усиления допированных иттербием материалов, что ограничивает минимальную длительность импульса непосредственно после усилителя около 200 фс. В работе моделировано спектральное уширение и последующая компрессия мили-джоулевых импульсов, полученных в новом широкополосном одностадийном Yb;Na:CaF2 усилителе, до длительности 20 фс.

VIII. Основное ограничение метода филаментационной компрессии импульсов связано с сильным пространственным чирпом, приобретаемым лазерным пучком в процессе фила-ментации. Как следствие, обычно необходима пространственная фильтрация с помощью диафрагмы для выбора параксиальной части пучка, которая дает самую высокую степень компрессии, но значительно уменьшает энергию сжатых импульсов. В работе определён перспективный сценарий филаментационной компрессии импульса, который позволяет получить компрессию сверхкоротких лазерных импульсов с высоким энергетическим выходом.

IX. Спектральные полосы усиления СО2 лазеров, даже при высоких давлениях газа, слишком узки для генерации импульсов среднего ИК диапазона длительностью порядка нескольких колебаний поля, что ограничивает применимость мощных СО2 лазеров в науке о сверхбыстрых процессах и ее приложениях. В работе показано, что спектральное уширение лазерных импульсов в заполненном газом полом волноводе может быть использовано для компрессии генерируемого на современных газовых лазерах субджоулевых 10.6-мкм импульсов до нескольких оптических периодов.

Научная новизна

I. Показано, что управление дисперсией и нелинейностью микроструктурированных световодов с большой площадью моды обеспечивает одномодовый режим генерации импульсов пиковой мощности несколько сотен киловатт.

II. Выявлено, что явление самоукручения заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самосдвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра солитона в сильно нелинейном волокне.

III. Показано, что солитонный самосдвиг частоты в сильно нелинейных световодах при

условиях нормальной дисперсии третьего порядка сопровождается сужением спектра со-литонного импульса.

IV. Предложена методика синтеза импульсов длительностью несколько оптических периодов мегаваттного уровня мощности когерентным сложением самосдвинутых по частоте солитонов на выходе микроструктурированиого световода.

V. Показано, что спектральное отталкивание солитонного импульса, вызванное смещённой в длинноволновую часть спектра дисперсионной волной, стабилизирует солитонный сдвиг частоты в сильно нелинейном ФК волокне по отношению к колебаниям мощности накачки.

VI. Выявлено, что сильная инерция оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к асимметричному уширению спектра с усилением длинноволновой части спектра на выходе волокна, зависящему от длительности импульса.

VII. Продемонстрировано, что взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и им-пульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода. Выявлено, что в результате такого взаимодействия формируется связанное состояние, динамика которого подвержена сильному влиянию солитонных эффектов, препятствующих увеличению длительности лазерных импульсов больше длительности периода оптического поля и обеспечивающих эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе.

VIII. Выявлено, что сопровождающаяся фотоионизацией фазовая самомодуляция мульти-миллиджоулевых импульсов в полой сердцевине заполненного инертным газом волновода позволяет реализовать уширение спектра, достаточное для высокоэффективной компрессии до длительности несколько оптических периодов в обычном решеточном компрессоре.

IX. Продемонстрирована высокоэффективная филаментационная компрессия сверхкоротких лазерных импульсов в результате неколлинеарной динамики пучка в лазерно индуцированном филаменте.

X. Показано, что увеличение с длиной волны критической мощности нелинейного взаимодействия мод полого волновода позволяет осуществить в нём сопровождающееся туннельной и лавинной ионизацией фазовую самомодуляцию субджоулевых пикосекундных импульсов в среднем инфракрасном спектральном диапазоне и их последующую компрессию до длительности около одного оптического периода и пиковой мощности несколько тераватт в обычном решеточном компрессоре.

Практическая значимость Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для эффективной генерации суперконтинуума, генерации перестраиваемых по частоте импульсов, создания

удобных волоконных источников излучения для нелинейной спектроскопии и микроскопии, разрешённой по времени спектроскопии, мультиплексной когерентной микроскопии рамановского рассеяния света, визуализации биологических объектов и эндоскопии, для оптической информации и телекоммуникационных технологий, оптической метрологии, стабилизации фазы огибающей сверхкоротких лазерных импульсов, синхронизации импульсов накачки и затравки в процессе параметрического усиления чирпированных импульсов длительностью в несколько периодов поля, когерентной рамановской микроскопии, оптимального усиления излучения волоконных лазеров, физики сверхкоротких импульсов и технологий на ее основе, приложений физики интенсивных аттосекундных полей, филамеитации сверхкоротких лазерных импульсов, для передачи энергии электромагнитного излучения на большие расстояния, удаленного зондирования атмосферы, фи-ламентационной компрессии импульсов, генерации предельно коротких импульсов поля высоких интенсивностей.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

I. Самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самосдвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра солитона в сильно нелинейном волокне. Солитонный самосдвиг частоты при этих условиях с хорошей точностью описывается простым аналитическим выражением, которое применимо для произвольных спектральных профилей волоконной дисперсии и вынужденного комбинационного усиления и удовлетворяет закону сохранения числа фотонов при вынужденном комбинационном усилении.

II. Солитонный самосдвиг частоты в этих условиях в сильно нелинейных световодах при условиях возрастающей с длиной волны дисперсии групповой скорости сопровождается сужением спектра солитонного импульса. При сдвиге центральной длины волны частоты импульса длительностью менее 10 фс с 800 им до 1500 нм в сильно нелинейном волокне спектр импульса сужается в 20 раз.

III. Взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбуждённых сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет осуществить генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода. Солитонные эффекты, подавляющие дисперсионное расплывание импульса, обеспечивают эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе.

IV. Увеличение критической мощности самовоздействия светового пучка с длиной волны позволяет реализовать эффективное уширение спектра субджоулевых пикосекунд-ных импульсов среднего инфракрасного диапазона и их последующую компрессию до длительности около одного оптического периода.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на 10 международных конференциях [38-47].

Публикации.

Материалы диссертации опубликованы в 47 печатных работах, из них 37 статей в рецензируемых журналах по списку, рекомендованному ВАК РФ, и 10 статей в сборниках трудов конференций. Наиболее важные работы приведены в списке публикаций [1-37].

Личный вклад автора Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причём вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации теоретические результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 131 страница, из них 80 страниц текста, включая 33 рисунка. Библиография включает 190 наименований на 15 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе описаны основные методы анализа пространственно-временной динамики предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью, включающие аналитические методы (рис. 1а, 16), суперкомпьютерное моделирование (рис. 1в - 1е) и численное решение одномерных уравнений распространения сверхкоротких импульсов. Аналитическими методами показано, что самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самоедвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра солитона в сильно нелинейном волокне. Рассчитанный с учетом эффекта самоукручения солитонный сдвиг частоты 10-фс 100-пДж лазерных импульсов, распространяющихся в сильно нелинейном ФК волокне со сплошной сердцевиной в 1.8 раз меньше, чем рассчитанный без учета этого эффекта. Выведены простые аналитические выражения для солитонного сдвига частоты, учитывающие сохранение числа фотонов при вынужденном комбинационном усилении, позволяющие вычислить величину и скорость солитонного сдвига частоты для произвольных спектральных профилей волоконной дисперсии и рамановского усиления без численного решения уравнения эволюции импульса.

Точность приближенного аналитического подхода к вычислению солитонного сдвига частоты проверена численным решением обобщенного нелинейного уравнения Шредингера и составляет около 1 %.

■1

р< 11 м- II111 '

р, ришд 1

р.,1 р. 11111111 »• е) к.

г. см

сГ с

ск

о. 0) X

(Т1

Рис. 1. (а) Зависимость солитонного сдвига частоты от координаты распространения г. (а) рассчитанная (сплошные кривые) по обобщенному нелинейному уравнению Шредингера (ОНУШ) и (штриховые кривые) по нелинейному уравнению Шредингера (НУШ) с модифицированным нелинейным членом для солитонного имиульса начальной энергии 100 пДж, длительности 10 фс и начальной центральной длины волны 800 нм; (б) рассчитанная (сплошные кривые) по ОНУШ и (штриховые кривые) по выведенным в диссертационной работе аналитическим формулам для солитонных импульсов с (1) \¥о = 35 пДж, г = 28 фс; (2) \¥0 = 50 пДж. г = 21 фс; (3) \¥0 = 71 пДж, т = 15 фс; (4) №о = 100 пДж, т = 10 фс; (5) \У0 = 141 пДж, т = 7 фс. (в) Распределение памяти и параллелизация трехмерных вычислений нелинейного отклика вещества во временном представлении (ж, у пространственные координаты, Ь время в сопровождающей импульс системе координат, Pl,P2,Pз■■■PN номера параллельных процессов), (г) параллелизация вычисления дисперсионного отклика вещества в частотном представлении (кх, ку поперечные компоненты волнового вектора, ш частота), (д) и (е) Распределение памяти и параллелизация вычислений на двух этапах расчета дифракционных эффектов, для вычисления двумерного преобразования Фурье в два этапа (по осям кх и ку) требуется перераспределение памяти (ср. (в) и (г)).

Результаты первой главы опубликованы в |1].

Во второй главе изложены физические эффекты, возникающие при формировании предельно коротких световых импульсов в микроструктурированных световодах. Управление дисперсией и нелинейностью микроструктурированных световодов с большой площадью моды обеспечивает одномодовый режим генерации импульсов пиковой мощности несколько сотен киловатт. Показана генерация перестраиваемых в спектральном диапазоне 1300 1800 нм солитонных импульсов с пиковой мощностью до 300 кВт и длительностью 25 фс (рис. 2а, 26), что составляет около 4 оптических периода, в ФК волокне

со сплошной сердцевиной эффективной площади моды 20 мкм2. Результаты численного анализа проверены экспериментально (рис. 2в) для генерации 1650-нм 2-иДж 65-фс импульсов пиковой мощностью выше 80 кВт.

Рис. 2. (а) Временная огибающая и (б) спектр импульса хром-форстеритного лазера, пропущенного через двух сантиметровый отрезок ФК волокна с эффективной площадью моды 20 мкм2. Энергия входного импульса равна 20 нДж. Пунктирные кривые и затемнённые области показывают временные огибающие и спектры отдельных солитонов, вычисленных вычисленных с помощью взятия Фурье-преобразования от двух солитонных структур наблюдаемых во временном представлении, (в) Экспериментальный [2] (заполненные кружки) и теоретический (сплошная кривая) спектр лазерного излучения центральной длины волны 1.25 мкм, прошедшего через 35 см отрезок волокна. Входной импульс линейно чирпирован до длительности 85 фс. его спектр (показанный штриховой кривой) соответствует длительности спектрально ограниченного импульса 55 фс. начальная энергия излучения равна 3,8 нДж.

Солитонный самосдвиг частоты в сильно нелинейных световодах при условиях нормальной дисперсии третьего порядка сопровождается сужением спектра солитонного импульса (рис. 3). Коэффициент компрессии спектра достигает 20 при смещении центральной длины волны 7-фс 800-нм солитонного импульса до 1500 нм в сильно нелинейном микроструктурированном волокне (рис. Зд). Расчеты проверены экспериментом [3|, в котором получена спектральная компрессия в 6.5 раз смещенных за счет эффекта вынужденного комбинационного усиления на центральную длину волны 1.58 мкм солитонов от не усиленных импульсов длительностью 50 фс и центральной длинной волны 1270 нм лазера на кристалле хром-форстерита (рис. За - Зг).

Явление самосдвига частоты в мпогосолитонном режиме распространения излучения в микроструктурированных световодах когерентным сложением солитонов позволяет реализовать синтез импульсов длительностью несколько оптических периодов мегаватт-ного уровня мощности. Анализ эксперимента |4[ показывает, что смещенные по частоте за счет эффекта вынужденного комбинационного усиления солитонные импульсы на выходе сильно нелинейного ФК волокна образуют в выходном спектре интерференционные полосы высокой видности, свидетельствующие о гладком спектральном профиле каждого отдельного солитона (рис. 4а). Предложен новый метод синтеза импульсов длительностью в несколько циклов поля с помощью когерентного сложения сдвинутых по частоте

П50 1200 1350 1300 1350 1400 1450

Длина волны(нм)

Частота {ТГц)

Длина волны (нм)

1450 1500 1550 1600

Длина волны (нм)

Рис. 3. (а - г) Спектральное сжатие в сильно нелинейном волокне с профилем волоконной дисперсии. показанным штриховой кривой на панели (а). Экспериментальный [3] (закрашенные кружки соединенные точечной кривой) и расчетный (сплошная кривая) спектр (а) входного лазерного импульса и (б) смещенного в длинноволновую область солитона. Выходная энергия солитона составляла (б) 45 пДж (в) 75 пДж и (г) 85 пДж. Профиль дисперсии групповых скоростей (ДГС) использованного МС волокна показан штриховой кривой на панели (а). Вставка в (б) показывает временной профиль входного импульса (пунктир) и импульса на выходе МС волокна (сплошная кривая) восстановленные с помощью оптического стробирования с разрешением по частоте, (д) Расчет спектрального сжатия в сильно нелинейном волокне с профилем волоконной дисперсии, показанным штриховой кривой на панели (д). Импульс на входе имеет начальную энергию 140 пДж и длительность 7 фс. центральную частоту 375 ТГц. Входной импульс преобразуется в солитон, испытывающий длинноволновый спектральный сдвиг благодаря комбинационному рассеянию и одновременно спектральное сжатие по мере распространения вдоль волокна. Спектр сдвигающихся в длинноволновую область солитонов показан для длин распространения г = 0.15, 0.6, 2.5, 10 и 40 м в соответствии с подписями на рисунке.

солитонов, генерированных в высоконелинейном волокне (рис. 46). Методом численного моделирования показано, что 100-фс 1250-нм 30-нДж лазерные импульсы, прошедшие через 5-см отрезок ФК волокна эффективной площади моды 20 мкм2, формируют на выходе несколько интерферирующих солитонов, которые после добавления простого пяти ступенчатого спектрального профиля групповой задержки в световом модуляторе, когерентно складываясь, образуют 10-фс 1900-нм 11.7 нДж одиночный импульс.

Спектральное отталкивание солитопного импульса, вызванное смещённой в длинноволновую часть спектра дисперсионной волной, образующейся в результате солитонной нестабильности, обусловленной волоконной дисперсией высоких порядков, стабилизирует солитонный сдвиг частоты в сильно нелинейном ФК волокне с воздушной наноразмер-ной полостью в сердцевине по отношению к колебаниям мощности накачки. Рассчитан устойчивый солитонный сдвиг частоты 50-фс 800 нм лазерных импульсов в волокне с диаметром сердцевины 2.3 мкм, модифицированной 900 нм воздушной полостью, при котором

Рис. 4. (а) Интерференционные полосы в экспериментальном спектре |4| на выходе из ФК волокна (кружки) и теоретическая аппроксимация экспериментальных данных с помощью трех солитонов (сплошная кривая). Штриховая кривая показывает профиль групповой задержки, использованной для сжатия выходящих из ФК волокна трех солитонов в сверхкороткий импульс, (б) Временная огибающая (сплошная кривая) и фаза (штриховая кривая) импульса, получившегося после такой компенсации групповой задержки, (в) Спектр на выходе из 50-см ФК волокна, измеренный [5] (в) и рассчитанный с использованием обобщенного нелинейного уравнения Шре-дингера (ОНУШ) (г) как функция средней мощности лазера (в) и энергии накачки (г). Интенсивность на выходе ФК волокна, рассчитанная с помощью ОНУШ (д) как функция длины волны излучения и расстояния, пройденного импульсом г вдоль волокна (е) как функция замедленного времени и расстояния г для энергии накачки 95 пДж.

стабилизированная длина волны солитона 960 им на выходе ФК волокна не чувствительна к изменениям энергии импульсов накачки в диапазоне от 60 до 100 пДж (рис. 4в 4е). Результаты расчетов подтверждены экспериментально [5]. Методом численного моделирования получена компрессия 70-пДж импульсов длительностью 30 570 фс в волокне с приведенными выше параметрами до длительности 16 фс.

Результаты второй главы опубликованы в |2-6|.

В третьей главе изучаются эффекты, возникающие при распространении мощных сверхкоротких импульсов в газонаполненных полых световодах. Взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода. В результате такого взаимодействия формируется связанное состояние, динамика которого подвержена сильному влиянию солитонных эффектов, препятствующих увеличению длительности лазерных импульсов больше длительности периода оптического поля и обеспечивающих эффективное

Частота (ТГц)

Средняя мощность лазера (мВт)

Энергия входного импульса (пДж)

5000,

импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний рамановского типа на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе. Получена генерация перестраиваемых в спектральном диапазоне 800 - 980 нм световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода поля в результате взаимодействия сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний рамановски-активной среды в полой сердцевине волновода диаметра 200 мкм длины 30 см, заполненном водородом при давлении 0.05 атм (рис. 5а 5е).

Время (фс) ° 5 Время (фс)

Рис. 5. (а е) Динамика взаимодействия солитона с длительностью порядка одного периода поля и молекулярной системы: (а) зависимость спектральной интенсивности светового поля от длины волны и длины распространения; зависимость (б) интенсивности поля; (в) колебательной и (г) вращательной части молекулярной когерентности от длины распространения и времени, (д, е) Динамика светового импульса на начальной фазе распространения по волноводу (д) без учета рамановского эффекта и (е) в присутствии рамановского эффекта. На верхней панели рис. 2(в) показаны временные профили колебательной когерентности на дистанции z - 20 см (1) и 60 см (2). Начальная длительность импульса составляет 2.1 фс, начальная энергия импульса 80 мкДж, внутренний диаметр полого волновода 200 мкм, давление молекулярного водорода в волноводе 0.05 атм. (ж, з) Компрессия до длительности 20 фс 3-мДж импульсов, прошедших через полое волокно, заполненное аргоном при давлении 0.9 атм, (и, к) компрессия до длительности 35 фс 6-мДж импульсов, прошедших через полое волокно, заполненное неоном при давлении 4 атм: (ж, и) спектральная интенсивность (красная кривая) и фаза (сплошная зеленая кривая) после восстановления данных FROG, измеренный спектр после волокна (черная кривая), входной спектр (серая кривая с заливкой), (з, к) восстановленный из данных FROG временной профиль интенсивности (черная кривая), фазы (сплошная зеленая кривая), спектрально ограниченный импульс (красная кривая с заливкой), временной профиль входного импульса (синяя кривая). Результаты численного моделирования показаны пунктирными кривыми.

Сопровождающаяся фотоионизацией фазовая самомодуляция мультимиллиджоуле-

вых импульсов в полой сердцевине заполненного инертным газом волновода позволяет реализовать уширение спектра, достаточное для высокоэффективной компрессии импульса до длительности несколько оптических периодов в обычном решеточном компрессоре. Получено спектральное уширение 200-фс 1030-нм мультимиллиджоулевых лазерных импульсов в заполненном газом полом оптическом волокне с диаметром сердцевины 300 мкм длины 1 м и их последующая компрессия до длительности 20 фс с 60 % энергетической эффективностью (рис. 5ж 5к). Результаты расчетов проверены экспериментально [8].

Результаты третьей главы опубликованы в [7, 8].

В четвертой главе описана генерация мощных предельно коротких импульсов электромагнитного излучения ближнего и среднего инфракрасного диапазона в условиях сверхбыстрой ионизации. Продемонстрирована высокоэффективная филаментацион-ная компрессия миллиджоулевых суб-100-фс лазерных импульсов в результате неколли-неарной динамики пучка в лазерно-индуцированном филаменте до 20-25-фс импульсов с энергетической эффективностью 70 % (рис. 6). Результаты трехмерного суперкомпыотер-ного численного моделирования подтверждены экспериментально [9].

Увеличение критической мощности самовоздействия светового пучка с длиной волны позволяет реализовать сопровождающеюся туннельной и лавинной ионизацией фазовую самомодуляцию субджоулевых 2-ис 10.6-мкм импульсов и их последующую компрессию до длительности около одного оптического периода и пиковой мощности 8.3 тераватт простой компенсацией параболического набега спектральной фазы в обычном решеточном компрессоре (рис. 7).

Результаты четвертой главы опубликованы в (9, 10].

В Заключении, основными результатами и выводами диссертационной работы являются:

I. Управление дисперсией и нелинейностью микроструктурированных световодов с большой площадью моды обеспечивает одномодовый режим генерации импульсов пиковой мощности несколько сотен киловатт. Показана генерация перестраиваемых в спектральном диапазоне 1300 -1800 нм солитонных импульсов с пиковой мощностью до 300 кВт и длительностью 25 фс, что составляет около 4 оптических периода, в ФК волокне со сплошной сердцевиной эффективной площади моды 20 мкм2. Результаты численного анализа проверены экспериментально |2] для генерации 1650-нм 2-нДж 65-фс импульсов пиковой мощностью выше 80 кВт.

II. Самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самосдвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра солитона в сильно нелинейном волокне. Рассчитанный с учетом эффекта самоукручения солитонный сдвиг частоты 10-фс 100-пДж лазерных импульсов, распространяющихся в сильно нелинейном ФК волокне со сплош-

з го « ее эо 1оо 1го 1« Дистанция распространения (см)

Рис. 6. (а) Динамика лазерного пучка в филаменте. Локализованная сжатая солитонная волна, сформированная на заднем фронте импульса, распространяется вдоль оси г (траектория пучка 1), в то время как расходящаяся часть пучка распространяется в направлении траектории 2, образуя угол а с траекторией пучка 1. (б), (в) т]--к карты интенсивности (в логарифмическом

масштабе) при (б) г = 50 см и (в) 145 см. Штриховая горизонтальная линия показывает нулевую точку отсчета времени, соответствующую центру импульса в сопровождающей его системе координат, (г) Динамика интенсивности, интегрированной по сечению пучка, (д) Экспериментальная временная огибающая филаментационно сжатого импульса |9| (кружками) и временной профиль расчетной интенсивности импульса, интегрированной по пучку (сплошная линия), (е) Спектр импульса после филамента: (кружками) эксперимент |9|, (сплошная линия) расчет, (ж), (з) Временная огибающая лазерного импульса, отфильтрованного диафрагмой диаметра (ж) 25 мкм (кривая 1) и 12 мм (кривая 2) и (з) 2 мм (1) и 12 мм (2), расположенных на дистанции распространения (ж) г = 52.0 см (з) г = 145 см. На всех панелях лазерный импульс начальной длительности то = 70 фс, энергии Ео = 2.2 мДж и центральной длины волны Ао = 1565 нм, распространяется в аргоне при давлении р = 5 атм.

ной сердцевиной в 1.8 раз меньше, чем рассчитанный без учета этого эффекта. Выведены простые аналитические выражения для солитонного сдвига частоты, учитывающие сохранение числа фотонов при вынужденном комбинационном усилении, позволяющие вычислить величину и скорость солитонного сдвига частоты для произвольных спектральных профилей волоконной дисперсии и рамаповского усиления без численного решения уравнения эволюции импульса. Точность приближенного аналитического подхода к вычислению солитонного сдвига частоты проверена численным решением обобщенного нелинейного уравнения Шредингера и составляет около 1

III. Солитонный самосдвиг частоты в сильно нелинейных световодах при условиях нормальной дисперсии третьего порядка сопровождается сужением спектра солитонного импульса. Коэффициент компрессии спектра достигает 20 при смещении центральной длины волны 7-фс 800-нм солитонного импульса до 1500 нм в сильно нелинейном микроструктурированном волокне. Расчеты проверены экспериментом [3|, в котором получена спек-

Длина волны (мкм)

Интенсивность входного импульса (ТВт/см2)

Fiber damage

Рис. 7. (а, в) Зависимость (а) длительности импульса и (в) качества сжатия импульса на выходе полого волновода, заполненного ксеноном, от входной пиковой интенсивности: закрашенные символы - при компенсации только линейного чирпа; не закрашенные символы - при идеальной компенсации всего чирпа, т.е. для спектрально-ограниченного импульса. Начальная длительность импульса составляет 2 пс. Длина волокна составляет 10 м. Давление газа внутри волокна: (1) 0.25 атм, (2) 0.50 атм, (3) 0.75 атм, (4) 1 атм. Внутренний радиус волокна: (1) 2.1 мм, (2) 1.5 мм, (3) 1.2 мм, (4) 1 мм. Штриховой вертикальной линией показана максимальная входная интенсивность, ограниченная ионизационным пробоем оболочки волокна. На вставке (а) представлено нарастание электронной плотности вызванное 10.6-мкм 2-пс лазерным импульсом (пунктирная кривая) с интенсивностью 12 ТВт/см2 в ксеноне при давлении 1 атм, вычисленное с (сплошная кривая) и без (пунктирная кривая) учета лавинной ионизации. Пунктирной линией показана критическая электронная плотность рс. На вставке (в) показано нарастание электронной плотности в диэлектрической оболочке волновода, вызванное 10.6-мкм 2-пс лазерным импульсом (штриховая кривая) интенсивностью 18.5 ТВт/см2 . Пунктирной горизонтальной линией показана критическая электронная плотность рс, достигнутая на краю лазерного импульса, (б, г) Спектр импульса на выходе волокна, рассчитанный с учетом (сплошная кривая) и без учета (штриховая кривая) ионизационных эффектов, спектр входного импульса (штрих-штрихпунктирная кривая), спектральный профиль групповой задержки на выходе волокна (штриховая кривая) и при компенсации линейного чирпа импульса (штрихпунктирная кривая) в режиме, который относится к (б) точке А и (г) точке В.

тральная компрессия в 6.5 раз смещенных за счет эффекта вынужденного комбинационного усиления на центральную длину волны 1.58 мкм солитонов от не усиленных импульсов длительностью 50 фс и центральной длинной волны 1270 нм лазера на кристалле хром-форстерита.

IV. Явление самосдвига частоты в многосолитонном режиме распространения излучения

в микроструктурированных световодах когерентным сложением солитонов позволяет реализовать синтез импульсов длительностью несколько оптических периодов мегаваттного уровня мощности. Анализ эксперимента [4] показывает, что смещенные по частоте за счет эффекта вынужденного комбинационного усиления солитонные импульсы на выходе сильно нелинейного ФК волокна образуют в выходном спектре интерференционные полосы высокой видности, свидетельствующие о гладком спектральном профиле каждого отдельного солитона. Предложен новый метод синтеза импульсов длительностью в несколько циклов поля с помощью когерентного сложения сдвинутых по частоте солитонов, генерированных в высоконелинейном волокне. Методом численного моделирования показано, что 100-фс 1250-нм 30-нДж лазерные импульсы, прошедшие через 5-см отрезок ФК волокна эффективной площади моды 20 мкм2, формируют на выходе несколько интерферирующих солитонов, которые после добавления простого пяти ступенчатого спектрального профиля групповой задержки в световом модуляторе, когерентно складываясь, образуют 10-фс 1900-нм 11.7 нДж одиночный импульс.

V. Спектральное отталкивание солитонного импульса, вызванное смещённой в длинноволновую часть спектра дисперсионной волной, образующейся в результате солитонной нестабильности, обусловленной волоконной дисперсией высоких порядков, стабилизирует солитонный сдвиг частоты в сильно нелинейном ФК волокне с воздушной наноразмер-ной полостью в сердцевине по отношению к колебаниям мощности накачки. Рассчитан устойчивый солитонный сдвиг частоты 50-фс 800 им лазерных импульсов в волокне с диаметром сердцевины 2.3 мкм, модифицированной 900 им воздушной полостью, при котором стабилизированная длина волны солитона 960 нм на выходе ФК волокна не чувствительна к изменениям энергии импульсов накачки в диапазоне от 60 до 100 пДж. Результаты расчетов подтверждены экспериментально [5]. Методом численного моделирования получена компрессия 70-пДж импульсов длительностью 30 - 570 фс в волокне с приведенными выше параметрами до длительности 16 фс.

VI. Сильная инерция оптической нелинейности в заполненном жидкостью волокне приводит к асимметричному уширению спектра с усилением длинноволновой части спектра на выходе волокна, зависящему от длительности импульса. Рассчитанное по аналитическим формулам асимметричное спектральное уширение 200-фс 6-нДж лазерных импульсов в полом фотонно-кристаллическом волокне с диаметром сердцевины 4 мкм, заполненном сильно нелинейной жидкостью, хорошо согласуется с экспериментом [6].

VII. Взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мульти-гнгаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода. В результате такого взаимодействия формируется связанное состояние, динамика которого подверже-

на сильному влиянию солитонных эффектов, препятствующих увеличению длительности лазерных импульсов больше длительности периода оптического поля и обеспечивающих эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний раманов-ского типа на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе. Получена генерация перестраиваемых в спектральном диапазоне 800 - 980 им световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического периода поля в результате взаимодействия сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний рамановски-активной среды в полой сердцевине волновода диаметра 200 мкм длины 30 см, заполненном водородом при давлении 0.05 атм.

VIII. Сопровождающаяся фотоионизацией фазовая самомодуляция мультимиллиджоуле-вых импульсов в полой сердцевине заполненного инертным газом волновода позволяет реализовать уширение спектра, достаточное для высокоэффективной компрессии импульса до длительности несколько оптических периодов в обычном решеточном компрессоре. Получено спектральное уширение 200-фс 1030-нм мультимиллиджоулевых лазерных импульсов в заполненном газом полом оптическом волокне с диаметром сердцевины 300 мкм длины 1 м и их последующая компрессия до длительности 20 фс с 60% энергетической эффективностью. Результаты расчетов проверены экспериментально [7].

IX. Физический механизм, в котором слабо расходящаяся волна, возникающая в хвостовой части импульса, догоняет сильно расходящуюся компоненту, возникающую в центральной части импульса, позволяет увеличить энергетическую эффективность филаментационной компрессии сверхкоротких лазерных импульсов и осуществить компрессию миллиджоуле-вых суб-100-фс импульсов до 20-25-фс импульсов с энергетической эффективностью 70%. Результаты трехмерного суперкомпьютерного численного моделирования подтверждены экспериментально [9].

X. Увеличение критической мощности нелинейно-оптического взаимодействия мод полого волновода с длиной волны позволяет осуществить в нём сопровождающееся туннельной и лавинной ионизацией фазовую самомодуляцию субджоулевых 2-пс 10.6-мкм импульсов и их последующую компрессию до длительности около одного оптического периода и пиковой мощности 8.3 тераватт простой компенсацией параболического набега спектральной фазы в обычном решеточном компрессоре.

Список публикаций автора по теме работы

1. Voronin А.А., Zheltikov A.M. Soliton self-frequency shift decelerated by self-steepening// Opt. Lett. 2008. Vol. 33. Pp. 1723-1725.

2. Fedotov A.B., Voronin A.A., Fedotov I.V., Ivanov A.A., Zheltikov A.M. Powerful wavelength-tunable ultrashort solitons in a solid-core photonic-crystal fiber// Opt. Lett. Vol. 34. Pp. 851-853.

3. Fedotov A.B., Voronin A.A., Fedotov I.V., Ivanov A.A., Zheltikov A.M. Spectral compression of frequency-shifting solitons in a photonic-crystal fiber// Opt. Lett. 2009. Vol. 34, Pp. 662-664.

4. Voronin A.A., Fedotov I.V., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Spectral interference of frequency-shifted solitons in a photonic-crystal fiber// Opt. Lett. 2009. Vol. 34. Pp. 569-571.

5. Liu B.-W., Hu M.-L., Fang X.-H., Li Y.-F., Chai L., Wang C.-Y., Tong W., Voronin A.A., Zheltikov A.M. Stabilized soliton self-frequency shift and 0.1-PHz sideband generation in a photonic-crystal fiber with an air-hole-modified core// Opt. Express. Vol. 16. Pp. 14987-14996.

6. Voronin A.A., Mitrokhin V.P., Ivanov A.A., Fedotov A.B., Sidorov-Biryukov D.A., Beloglazov V.I., Alfimov M.V., Ludvigsen H., Zheltikov A.M. Understanding the nonlinear-optical response of a liquid-core photonic-crystal fiber// Las. Phys. Lett. 2010. Vol. 7. Pp. 46-49.

7. Andriukaitis G., Kartashov D., Lorenc D., Pugilys A., Baltuska A., Giniunas L., Danielius R., Limpert J., Clausnitzer Т., Kley E.-B., Voronin A., Zheltikov A. Hollow-fiber compression of 6 mJ pulses from a continuous-wave diode-pumped single-stage Yb,Na:CaF2 chirped pulse amplifier// Opt. Lett. 2011. Vol. 36. Pp. 1914-1916.

8. Zheltikov A. M., Voronin A. A., Kienberger R., Krausz F., Korn G. Frequency-Tunable Multigigawatt Sub-Half-Cycle Light Pulses from Coupled-State Dynamics of Optical Solitons and Impulsively Driven Molecular Vibrations// Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 105. P. 103901.

9. Voronin A. A., Alisauskas S.,. Мйске О. D, Pugflys A., Baltuska A., Zheltikov A. M. High-energy-throughput pulse compression through an off-axial beam dynamics in a laser-induced filament// Phys. Rev. A. 2011. Vol. 84. P. 023832.

10. Voronin A. A., Gordienko V. M., Platonenko V. Т., Panchenko V. Ya., Zheltikov A. M. Ionization-assisted guided-wave pulse compression to extreme peak powers and single-cycle pulse widths in the mid-infrared// Opt. Lett. 2010. Vol. 35. Pp. 3640-3642.

11. Zhokhov P. A., Voronin A. A., Fedotov I. V., Fedotov А. В., Zheltikov A. M. Coherence readout from supercontinua in multiple filaments: Experiments and supercomputer simulations// Phys. Rev. A. 2013. Vol. 87. P. 013819.

12. Voronin A. A., Zheltikov A. M., Ditmire Т., Rus В., Korn G. Subexawatt few-cycle lightwave generation via multipetawatt pulse compression// Optics Communications. 2013. Vol. 291. Pp. 299-303.

13. Nomura Y., Shirai H., Ishii K., Tsurumachi N., Voronin A. A., Zheltikov A. M. Phase-stable

sub-cycle mid-infrared conical emission from filamentation in gases// Opt. Express. 2012. Vol. 20. P. 24741.

14. Voronin A.A., Fedotov I.V., Kobelke J., Jager M., Schuster K., Fedotov A. B., Bartelt H., Zheltikov A.M. Polarization instability of ultrashort pulses as a source of vectorial supercontinuum// Opt. Lett. 2012. Vol. 37. Pp. 5163-5165.

15. Zheltikov A.M., Shneider M.N., Voronin A.A., Sokolov A.V., Scully M.O. Remote steering of laser beams by radar- and laser-induced refractive-index gradients in the atmosphere// Las. Phys. Lett. 2012. Vol. 9. Pp. 68-72.

16. Fedotov I.V., Lanin A.A., Voronin A.A., Grigor'ev V.V., Mityurev A.K., Khatyrev N.P., Kravtsov V.E., Sidorov-Biryukov D.A., Tikhomirov S.V., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Ultrafast nonlinear-optical metrology of specialty fibers: parallel multimode fiber dispersion tracing by cross-correlation frequency-resolved optical gating// Las. Phys. Lett. 2012. Vol. 9. Pp. 39-43.

17. Fang X.-H., Hu M.-L., Liu B.-W., Chai L., Wang C.-Y., Wei H.-F., Tong W.-J., Luo J., Sun C.-K., Voronin A. A., Zheltikov A. M. An all-photonic-crystal-fiber wavelength-tunable source of high-energy sub-100 fs pulses// Optics Communications. 2013. Vol. 289. Pp. 123-126.

18. Voronin A. A., Zheltikov A. M. Signal contrast in coherent Raman scattering: Optical phonons versus biomolecules// J. Appl. Phys. 2012. Vol. 112. Pp. 053101.

19. Kartashov D., Alisauskas S., Pugzlys A., Voronin A., Zheltikov A., Petrarca M., Bejot P., Kasparian J., Wolf J.-P., Baltuska A. White light generation over three octaves by femtosecond filament at 3.9 ¡im in argon// Opt. Lett. 2012. Vol. 37. Pp. 3456-3458.

20. Kartashov D., Alisauskas S., Pugzlys A., Voronin A. A., Zheltikov A. M., Baltuska A. Third- and fifth-harmonic generation by mid-infrared ultrashort pulses: beyond the fifth-order nonlinearity// Opt. Lett. 2012. Vol. 37. Pp. 2268-2270.

21. Shneider, M. N., Voronin, A. A., Zheltikov, A. M. Modeling the action-potential-sensitive nonlinear-optical response of myelinated nerve fibers and short-term memory// J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. P. 094702.

22. Voronin A.A., Fedotov I.V., Doronina-Amitonova L.V., Ivashkina O.I., Zots M.A., Fedotov A.B., Anokhin K.V., Zheltikov A.M. Ionization penalty in nonlinear Raman neuroimaging// Opt. Lett. 2011. Vol. 36. Pp. 508-510.

23. Zheltikov A. M., Shneider M. N., Voronin A. A., Miles R. B. Laser control of free-carrier density in solids through field-enhanced multiphonon tunneling recombination// J. Appl. Phys. 2011. Vol. 109. P. 033109.

24. Lanin A.A., Voronin A.A., Sokolov V.l., Fedotov I.V., Fedotov A.B., Akhmanov A.S., Panchenko V.Ya., Zheltikov A.M. Slow light on a printed circuit board// Opt. Lett. 2011. Vol. 36. Pp. 1788-1790.

25. Voronin A.A., Zheltikov A.M. Ionization penalty in nonlinear optical bioimaging// Physical Review E. 2010. Vol. 81. P. 051918.

26. Shneider M. N., Voronin A. A., Zheltikov A. M. Action-potential-encoded second-harmonic generation as an ultrafast local probe for nonintrusive membrane diagnostics// Physical Review E. 2010. Vol. 81. P. 031926.

27. Zheltikov A., Sawin A., Lanin A., Voronin A., Fedotov A. Coherent anti-Stokes Raman metrology of phonons powered by photonic-crystal fibers// Optics Letters. 2010. Vol. 35. Pp. 919-921.

28. Fedotov I. V., Lanin A. A., Voronin A. A., Fedotov А. В., Zheltikov A. M., Egorov O. N., Semjonov S. L., Pryamikov A. D., Dianov E. M. Generation of 20 fs, 20 MW pulses in the near-infrared by pulse compression using a large-mode-area all-silica photonic band-gap fiber// J. Mod. Opt. Vol. 57. Pp. 1867-1870.

29. Doronina L. V., Fedotov I. V., Voronin A. A., Ivashkina О. I., Zots M. A., Anokhin K. V., Rostova E., Fedotov А. В., Zheltikov A. M. Tailoring the soliton output of a photonic crystal fiber for enhanced two-photon excited luminescence response from fluorescent protein biomarkers and neuron activity reporters// Opt. Lett. 2009. Vol. 34. Pp. 3373-3375.

30. Fedotov I. V., Voronin A. A., Fedotov А. В., Shevandin V. S., Dukel'skii К. V., Zheltikov A. M. Special issue devoted to the 80th birthday of S. A. Akhmanov: Multisoliton supercontinuum from a photonic-crystal fibre as a source of frequency-tunable megawatt femtosecond pulses in the infrared// Quant. Electron. 2009. Vol. 39. Pp. 634-637.

31. Zheltikov A.M., Voronin A.A., Kitzler M., Baltuska A., Ivanov M. Optical detection of interfering pathways in sub-fsec multielectron dynamics// Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 103. P. 033901.

32. Voronin A.A., Zheltikov A.M. Soliton-number analysis of soliton-effect pulse compression to single-cycle pulse widths// Phys. Rev. A. 2008. Vol. 78. P. 063834.

33. Voronin A.A., Zheltikov A.M. Solitons evolving toward few-and single-cycle pulses in photonic-crystal fibers// Las. Phys. 2008. Vol. 18. Pp. 1416-1419.

34. Voronin A.A., Zheltikov A.M., Dynamics of high-power self-similar light pulses in a fiber laser with a carbon-nanotube saturable absorber. Las. Phys. 2008. Vol. 18. P. 1459-1464.

35. Воронин A.A., Желтиков A.M. Динамика самоподобных световых импульсов предельной длительности и энергии в волоконном лазере. ЖЭТФ. 2008. Т. 133, Стр. 687-695.

36. Воронин А.А., Желтиков A.M. Программное обеспечение для численного моделирования формирования и эволюции сверхкоротких световых импульсов в активных и пассивных системах на основе микро- и наноструктурированных световодов// Российские Нанотехнологии. 2008. Т. 3. Стр. 147-153.

37. Fedotov А.В., Voronin A.A., Serebryannikov Е.Е., Fedotov I.V., Mitrofanov A.V., Ivanov A.A., Sidorov-Biryukov D.A., Zheltikov A.M. Multifrequency third-harmonic generation by red-shifting solitons in a multimode photonic-crystal fiber// Phys. Rev. E. 2007. Vol. 75. P. 016614.

38. Voronin A.A., Zheltikov A.M., Kartashov D., Alisauskas S., Pugzlys A., Baltuska A. Collimated-Beam Third- and Fifth-Harmonic Generation by Mid-Infrared Ultrashort Pulses// High Intensity Lasers and High Field Phenomena (HILAS), Berlin, Germany. March 12, 2012. NL and Extreme NL Optics (HW3C).

39. Kartashov D., Alisauskas S., Baltuska A., Voronin A.A., Zheltikov A.M., Petrarca M., Bejot P., Kasparia J.n, Pugi-lys A. Filamentation of Few-Cycle Mid-Infrared Pukes in Gases// High Intensity Lasers and High Field Phenomena (HILAS), Berlin, Germany. March 12, 2012. NL and Extreme NL Optics (HW3C).

40. Fuji T., Nomura Yu., Shirai H., Tsurumachi N., Voronin A., Zheltikov A. Phase-stable sub-single-cycle mid-infrared pulses generated through filamentation// High Intensity Lasers and High Field Phenomena (HILAS), Berlin, Germany. March 12, 2012. NL and Extreme NL Optics (HW3C).

41. Sidorov-Biryukov D.A., Voronin A.A., Podshivalov A.A., Fedotov I.V., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Multisoliton vectorial self-frequency shift: Toward a mehagertz fiber few-cycle lightwave synthesizer// Proceedings of the 19th International Conference on Advanced Laser Technologies

- ALT'll, Golden Sands, Bulgaria. 3-8 September, 2011. (O-1-NL).

42. Voronin A.A., Fedotov I.V., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Photonic-Crystal Synthesizers of Ultrafast Lightwaves// International School of Atomic and Molecular Spectroscopy, Erice, Italy. July 3 - 18, 2011.

43. Voronin A.A., Alisauskas S., Mucke O.D., Pugilys A., Baltuska A., Zheltikov A.M. High-energy-throughput pulse compression through an off-axial beam dynamics in a laser-induced filament// Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and 12th European Quantum Electronics Conference (CLEO/ Europe - EQEC 2011), Munich, Germany. May 22 - 26, 2011.

44. Voronin A.A., Gordienko V.M., Platonenko V.T., Panchenko V. Ya., Zheltikov A.M. Ionization-assisted guided-wave pulse compression to extreme peak powers and single-cycle pulse widths in the mid-infrared// International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, The Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT-2010), Kazan, Russia. August 23 - 27, 2010.

45. Voronin A. A., Zheltikov A. M. Ionization penalty in nonlinear-optical bioimaging// The 9th European Conference on Nonlinear Optical Spectroscopy (ECONOS 2010), Bremen, Germany. June 21 - 23, 2010

46. Voronin A.A., Lanin A.A., Sawin A.D., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. CARS metrology of coherent phonons// European Conference on CARS Microscopy (microCARS 2009) in IESC, Cargese, Corsica, France. October 5 - 10, 2009.

47. Voronin A.A., Sawin A.D., Lanin A.A., Sidorov-Biryukov D.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Spectrochronography of Raman-Shifted Solitons and Fiber-Based CARS// XXII International Conference on Raman Spectroscopy, Boston, Massachusetts, USA. August 08-13, 2010. [AIP Conf. Proc.[. Vol. 1267, pp. 152-153.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Воронин, Александр Александрович, Москва

На правах рукописи

04201357093

Воронин Александр Александрович

Пространственно-временная динамика предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и

нелинейностью

01.04.21 - лазерная физика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

д. ф.-м. н., проф.

Желтиков Алексей Михайлович

Москва - 2013

Содержание

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

Обзор литературы.............................20

Глава 1. Методы анализа пространственно-временной динамики предельно коротких световых импульсов в системах с комбинированной дисперсией и нелинейностью ..........34

1.1. Аналитические методы .......................34

1.2. Суперкомпьютерное моделирование................41

1.3. Численное решение одномерных уравнений распространения сверхкоротких импульсов.........................43

Глава 2. Формирование предельно коротких световых импульсов в микроструктурированных световодах...........47

2.1. Генерация мощных, перестраиваемых по частоте солитонов в фотонно-кристаллических волокнах с твердотельной сердцевиной ..................................47

2.2. Спектральная компрессия сдвигающихся по частоте солитонов

в фотонно-кристаллических волокнах...............52

2.3. Спектральная интерференция сдвигающихся по частоте солитонов в фотонно-кристаллических волокнах ...........58

2.4. Стабилизированный солитонный самосдвиг частоты и солитон-ная компрессия импульсов до длительности одного оптического периода в фотонно-кристаллических волокнах с нанострукту-рированной сердцевиной ......................63

2.5. Анализ нелинейно-оптического отклика в фотонно-кристаллических волокнах с заполненной жидкостью сердцевиной .... 74

Глава 3. Мощные сверхкороткие импульсы в газонаполненных полых световодах............................80

3.1. Генерация перестраиваемых по частоте мультигигаваттных импульсов с длительностью меньше половины оптического периода поля в результате динамического взаимодействия оптического солитона и импульсно возбуждённых молекулярных колебаний ..................................80

3.2. Компрессия мультимиллиджоулевых сверхкоротких лазерных импульсов в полых волноводах...................89

Глава 4. Генерация предельно коротких импульсов электромагнитного излучения ближнего и среднего инфракрасного диапазона в условиях сверхбыстрой ионизации ..........95

4.1. Высокоэффективная компрессия импульсов в лазерно-индуци-рованном филаменте ........................95

4.2. Ионизационно-усиленная волоконная компрессия импульсов до предельной пиковой мощности и длительности один оптический период в среднем инфракрасном спектральном диапазоне . . .105

Заключение .................................112

Литература .................................117

Список используемых сокращений:

ФК - фотоннокристаллический

МС - микроструктурированный

ИК - инфракрасный

УФ - ультрафиолетовый

ССЧ - солитонный самосдвиг частоты

НУШ - нелинейное уравнение Шредингера

ОНУШ - обобщенное нелинейное уравнение Шредингера

Введение

Актуальность работы

Обладающие сильной нелинейностью фотонно-кристаллические волокна [1] являются подходящим материалом для создания компактных и эффективных преобразователей частоты, использующихся в микроскопии, спектроскопии, микроскопии биологических структур [2], оптических линиях связи [3], а также в физике сверхкоротких импульсов и технологиях на их основе [4]. Возникающие при спектральном преобразовании сверхкоротких лазерных импульсов в фотонно-кристаллических (ФК) волокнах нелинейно-оптические со-литонные эффекты [5] дают возможность эффективной генерации суперконтинуума [6] и генерации перестраиваемых по частоте импульсов [7]. На основе этих явлений возможно создание удобных волоконных источников излучения для нелинейной спектроскопии [8], мультиплексной когерентной микроскопии комбинационного рассеяния света [9], визуализации биологических объектов и эндоскопии [10], а так же для оптической информации и телекоммуникационных технологий [3]. Рамановский эффект в материале оптического волокна приводит к возникновению запаздывающей части оптической нелинейности, индуцируя красный сдвиг сверхкоротких лазерных импульсов, распространяющихся в волокне. В режиме аномальной дисперсии это явление, известное как солитонный сдвиг частоты [11], позволяет перестраивать длину волны коротких лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне. Наиболее богатый спектральный состав в генерируемом излучении часто получается в режимах, которые включают в себя комбинацию нескольких нелинейно-оптических процессов [12]. Наиболее яркими примерами подобного типа взаимодействий являются генерация суперконтинуума в высоконелинейных волокнах [13] или филаментах [14].

Филаментация сверхкоротких лазерных импульсов [15] - одно из наибо-

лее интересных открытий в современной оптике. В оптике сверхбыстрых процессов филаментация лазерного излучения находит все больше применений как мощный метод компрессии импульсов [16], позволяя возможность генерации импульсов с длительностями в несколько периодов оптического поля со стабильной фазой огибающей с высокой пиковой мощностью внутри широкого диапазона частот от дальнего ультрафиолетового (УФ) [17] до ближнего и среднего инфракрасного (ИК) [18].

Эффективность взаимодействия лазера с веществом растет по закону /А2, где / - интенсивность поля, А - длина волны излучения, поэтому важной задачей является поиск практического решения проблемы генерации сверхкоротких импульсов с большой длиной волны и высокой мощностью, эти поиски привели к возрождению газовых лазеров, работающих в среднем ИК диапазоне [19]. Известно, что столкновительное уширение вращательных и колебательных линий активной среде СОг лазеров, дает широкую спектральную полосу для эффективного усиления пикосекундных лазерных импульсов [20]. Газовые лазеры, использующие этот принцип, недавно достигли тераваттного уровня пиковой мощности [19], открывая перспективные возможности ускорения частиц до релятивистских скоростей и исследования новых интересных режимов взаимодействия лазерного поля с веществом.

Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: I. Энергия выходящих из ФК волокон спектрально преобразованных импуль-

сов обычно достаточно мала, что серьёзно ограничивает спектр приложений подобных источников света в науке и оптических технологиях. Проведённый в работе анализ показывает, что пиковая мощность перестраиваемых по частоте солитонов в ФК волокне может достичь мегаваттного уровня.

II. Дисперсия высших порядков, волоконные потери, частотная зависимость оптической нелинейности, как известно, факторы, замедляющие солитонный самосдвиг частоты (ССЧ). В работе показано, что самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса является важным фактором, приводящим к замедлению ССЧ.

VI. Увеличение интенсивности излучения лазерных систем и расширение области применений оптики сверхбыстрых процессов к реальным сложным си-

стемам, требует развития эффективных и практически осуществимых методов нелинейно-оптических спектральных преобразований световых импульсов длительностью в несколько оптических периодов поля. В работе показано, что взаимодействие сверхкороткого импульса поля с когерентно возбужденной комбинационно-активной средой позволяет генерировать перестраиваемые по частоте мультигигаваттные световые импульсы длительностью меньше половины периода оптического поля.

VII. В отличие от титан-сапфировых усилителей лазерных импульсов, иттер-биевые усилители с диодной накачкой открывают перспективные возможности увеличения мощности из-за низкого квантового дефекта. Ключевой недостаток сверхкоротких импульсов иттербиевых систем - узкая полоса усиления допированных иттербием материалов, что ограничивает минимальную длительность импульса непосредственно после усилителя около 200 фс. В работе моделировано спектральное уширение и последующая компрессия мили-джоулевых импульсов, полученных в новом широкополосном одностадийном Yb;Na:CaF2 усилителе, до длительности 20 фс.

VIII. Основное ограничение метода филаментационной компрессии импульсов связано с сильным пространственным чирпом, приобретаемым лазерным пучком в процессе филаментации. Как следствие, обычно необходима пространственная фильтрация с помощью диафрагмы для выбора параксиальной части пучка, которая дает самую высокую степень компрессии, но значительно уменьшает энергию сжатых импульсов. В работе определён перспективный сценарий филаментационной компрессии импульса, который позволяет получить компрессию сверхкоротких лазерных импульсов с высоким энергетическим выходом.

нимость мощных СО2 лазеров в науке о сверхбыстрых процессах и ее приложениях. В работе показано, что спектральное уширение лазерных импульсов в заполненном газом полом волноводе может быть использовано для компрессии генерируемого на современных газовых лазерах субджоулевых 10.6-мкм импульсов до нескольких оптических периодов. Научная новизна

III. Показано, что солитонный самосдвиг частоты в сильно нелинейных световодах при условиях нормальной дисперсии третьего порядка сопровождается сужением спектра солитонного импульса.

VII. Продемонстрировано, что взаимодействие сверхкороткого лазерного импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной среды в полой сердцевине волновода позволяет генерацию перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаватт-ной мощности длительностью меньше половины оптического периода. Выявлено, что в результате такого взаимодействия формируется связанное состояние, динамика которого подвержена сильному влиянию солитонных эффектов, препятствующих увеличению длительности лазерных импульсов больше длительности периода оптического поля и обеспечивающих эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний на больших дистанциях распространения в заполненном газом полом волноводе.

VIII. Выявлено, что сопровождающаяся фотоионизацией фазовая самомодуляция мультимиллиджоулевых импульсов в полой сердцевине заполненного инертным газом волновода позволяет реализовать уширение спектра, достаточное для высокоэффективной компрессии до длительности несколько оптических периодов в обычном решеточном компрессоре.

Практическая значимость Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для эф-

фективной генерации суперконтинуума [6], генерации перестраиваемых по частоте импульсов [7], создания удобных волоконных источников излучения для нелинейной спектроскопии [8] и микроскопии [21], разрешённой по времени спектроскопии [2], мультиплексной когерентной микроскопии рамановско-го рассеяния света [9], визуализации биологических объектов и эндоскопии [10], для оптической информации и телекоммуникационных технологий [3], оптической метрологии [22], стабилизации фазы огибающей сверхкоротких лазерных импульсов [23], синхронизации импульсов накачки и затравки в процессе параметрического усиления чирпированных импульсов длительностью в несколько периодов поля [4], когерентной рамановской микроскопии [2], оптимального усиления излучения волоконных лазеров [24], физики сверхкоротких импульсов и технологий на ее основе [4], приложений физики интенсивных аттосекундных полей [25], филаментации сверхкоротких лазерных импульсов [15], для передачи энергии электромагнитного излучения на большие расстояния [26], удаленного зондирования атмосферы [27], филаментаци-онной компрессии импульсов [16], генерации предельно коротких импульсов поля [28] высоких интенсивностей [29].

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

I. Самоукручение заднего фронта сверхкороткого светового импульса приводит к замедлению солитонного самосдвига частоты, обусловленного вынужденным комбинационным усилением длинноволновой части спектра соли-тона в сильно нелинейном волокне. Солитонный самосдвиг частоты при этих условиях с хорошей точностью описывается простым аналитическим выражением, которое применимо для произвольных спектральных профилей волоконной дисперсии и вынужденного комбинационного усиления и удовлетворяет закону сохранения числа фотонов при вынужденном комбинационном усилении.

II. Солитонный самосдвиг частоты в этих условиях в сильно нелинейных световодах при условиях возрастающей с длиной волны дисперсии групповой скорости сопровождается сужением спектра солитонного импульса. При сдвиге центральной длины волны частоты импульса длительностью менее 10 фс с 800 нм до 1500 нм в сильно нелинейном волокне спектр импульса сужается в 20 раз.