WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА Физический факультет

На правах рукописи

УДК 621.372; 621.373 Вислобоков Никита Юрьевич КАНАЛИРОВАНИЕ И СВЕРХУШИРЕНИЕ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА МОЩНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛАЗМЫ В ПРОЗРАЧНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ Специальность 01.04.03 – радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Научный консультант: Доктор физико-математических наук, профессор А. П. Сухоруков

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор В. А. Алешкевич Доктор физико-математических наук, профессор С. В. Сазонов

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Защита диссертации состоится «_» _ 2007 года в. часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.67 в МГУ им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП 2, Ленинские Горы, МГУ, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» 2007 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д.501.001.67 кандидат физико-математических наук А. Ф. Королев 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В последние годы большой научный и практический интерес вызывают исследования нелинейного распространения сверхмощных ультракоротких оптических импульсов в прозрачных твёрдых телах, когда сильно проявляется влияние ионизационных процессов, но пробой вещества не наступает [1 - 4].

Особое внимание уделяется изучению каналирования электромагнитного излучения в диэлектриках типа сапфир и кварцевое стекло, широко применяющихся в лазерной физике. При превышении порога самофокусировки динамику распространения импульсных лазерных пучков во многом определяет генерация электронной плазмы. Плазма свободных электронов предотвращает коллапс электромагнитного поля в нелинейном фокусе и обеспечивает квазисолитонный или пульсирующий режим распространения [5], Результаты таких исследований используются для создания лазеров и лазерных усилителей предельно высокой мощности [6].

Другой важной задачей современной лазерной физики и нелинейной оптики является генерация излучения с предельно широким континуальным частотным спектром в прозрачных диэлектриках, например, кварцевом стекле.

В экспериментах по генерации суперконтинуума в кварцевом стекле наблюдалась асимметрия распределения спектральных компонент: практически все уширение простирается в область высоких частот [7 - 9]. Создание источников сверхширокопосного излучения позволяет значительно увеличить эффективность работы ряда спектральных приборов, информационных и волокооптических устройств, компрессоров оптических импульсов и т.д.

[9 - 11]. Здесь также на первом плане находятся исследования распространения сверхмощных коротких импульсов в условиях генерации плазмы свободных электронов.

Однако, в силу весьма сложной динамики взаимодействия излучения с веществом при генерации электронной плазмы и наличия самых разнообразных режимов, работы в этой области далеки от своего завершения. На первый план выходит анализ механизмов каналирования и сверхуширения в условиях конкуренции керровской и плазменной нелинейностей с учетом многофотонного поглощения и дисперсионных эффектов. Именно такой комплексный многофакторный подход к исследованию эволюции сверхкоротких оптических импульсов позволит выработать практические рекомендации для управления пространственно-временными и частотными характеристиками мощного лазерного излучения в нелинейных средах.

Цель работы.

Целью настоящей работы является теоретическое исследование динамики распространения высокоинтенсивных фемтосекундных импульсов в прозрачных диэлектриках типа сапфир и кварцевое стекло с учётом вклада индуцированной электронной плазмы.

В соответствии с этим решались следующие задачи:

- разработка физической модели и создание программ для численного моделирования распространения мощного импульсного пучка в диэлектрике, учитывающей дифракцию, дисперсию, нелинейности третьего и высшего порядков, нелинейность и поглощение лазерной плазмы, образующейся при многофотонной, лавинной и туннельной фотоионизации;

- выявление механизмов каналирования сверхмощных оптических пучков в виде пространственных квазисолитонов и пульсирующих нелинейных волноводов в условиях лазерно-индуцированной ионизации диэлектрика;

- детальное изучение и объяснение причин сверхуширения исходного частотного спектра в кварцевом стекле одновременно в высокочастотную и низкочастотную области оптического диапазона.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые развита дифракционно-дисперсионная теория нелинейного распространения сверхмощного фемтосекундного оптического излучения в прозрачном кристалле с учётом влияния фотоионизационных процессов и индуцированной электронной плазмы;

- в диэлектриках типа сапфир и кварцевое стекло определены параметры излучения и среды, при которых происходит пространственная самолокализация излучения в виде квазисолитона на длинах более полутора сантиметра;

- доказано существование протяженного пульсирующего канала мощного лазерного пучка в кварцевом стекле на длинах до 50 мм формирующегося в результате баланса между керровской самофокусировкой и дефокусировкой, обусловленной индуцированной электронной плазмой;

- найден режим филаментации мощного излучения на несколько фрагментов, каждый из которых продолжает распространяться в пульсирующем (до 70 мм) или квазисолитонном (до 50 мм) режиме на расстояния, в несколько раз превышающие длину одиночного квазисолитона;

- впервые осуществлено сверхуширение частотного спектра лазерного излучения (исходная несущая частота – 800 нм) в кварцевом стекле как в сторону высоких, так и в сторону низких частот при более чем 10-и кратном превышении критической мощности самофокусировки.

Достоверность результатов диссертации обеспечена корректностью постановки задач, использованием обоснованных методов расчета, а также соответствием известных результатов данным проведенного автором численного моделирования при верификации численной модели.

Научная и практическая значимость работы:

- разработанная (3+1)-мерная модель, основанная на численном решении эволюционных уравнений по оригинальным алгоритмам и программа, позволяет описать динамику генерации электронной плазмы и распространение мощных ультракоротких лазерных импульсов в прозрачных диэлектриках типа сапфир и кварцевое стекло;

- каналирование оптического излучения может повысить эффективность работы лазерных усилителей и генераторов предельно высокой мощности;

- одновременная генерация низко- и высокочастотного континуального излучения в кварцевом стекле может найти разнообразные применения в спектроскопии, системах оптической связи и обработки информации, в технике сверхкоротких импульсов света и т.д.

Полученные результаты могут быть использованы и в других областях нелинейной оптики и лазерной физики.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. захват лазерного пучка с мощностью большей мощности самофокусировки в пространственный квазисолитон происходит благодаря генерации плазмы свободных электронов, которая вносит дефокусирующую нелинейность и тем самым уравновешивает керровскую самофокусировку.

Длина квазисолитона в кварцевом стекле может достигать 15 мм при ширине пучка 50 мкм;

2. в пульсирующем канале высокоинтенсивный фемтосекундный импульсный пучок может распространяться, сохраняя свою форму, в кварцевом стекле на расстояния до 50 мм, что в несколько раз больше, чем в квазисолитонном режиме;

3. при распространении мощного лазерного излучения в квазисолитонном и пульсирующем режимах частотный спектр излучения изменяется незначительно, величина плотности электронной плазмы остаётся, как минимум, на порядок величины меньше критического значения, при котором возможно появление структурных изменений в кристалле диэлектрика;

4. распространение лазерного излучения с начальной длиной волны 800 нм при 30-ти кратном превышении мощности самофокусировки в кварцевом стекле сопровождается значительным уширением частотного спектра излучения как в сторону высоких, так и в сторону низких частот;

5. генерация континуальных компонент лазерного излучения обусловлена сильным воздействием на импульсный пучок плазмы, генерируемой в результате нестационарных индуцированных ионизационных процессов, что в свою очередь приводит к динамической фазовой самомодуляции и сверхуширению частотного спектра излучения.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на VIII Всероссийской школесеминаре “Волновые явления в неоднородных средах” (Московская область, 2002 г.), IX Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Московская область, 2003 г.), XI Международной конференции по лазерной оптике (Санкт-Петербург, 2003 г.), IX Всероссийской школе-семинаре “Волновые явления в неоднородных средах” (Московская область, 2004 г.), X Всероссийской школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Московская область, 2005 г.), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург, 2005 г.), V Международной конференции по фотонике, устройствам и системам (Прага, Чехия, 2005 г.), Международном конгрессе по оптике и оптоэлектронике (Варшава, Польша, 2005 г.), X Всероссийской школе-семинаре “Волновые явления в неоднородных средах” (Московская область, 2006 г.), VI Международной конференции “Лазерная физика и оптические технологии” (Гродно, Беларусь, 2006 г.).

Материал диссертации докладывался и обсуждался на семинарах кафедры радиофизики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Публикации.

Основные результаты диссертации изложены в 16 опубликованных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 156 наименований. Общий объем работы составляет 143 страницы включая 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обзор литературы, обосновывается актуальность избранной темы, формулируются цель работы, её задачи, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость, описывается структура диссертации.

В первой главе исследуется взаимодействие высокоинтенсивного I ( ТВт/см2) фемтосекундного лазерного импульса с диэлектрической средой и индуцированной электронной плазмой при различных начальных параметрах излучения и среды. На основе анализа результатов исследования показано, что при динамическом балансе между самофокусировой и дефокусировкой на индуцированной электронной плазме происходит захват высокоинтенсивного светового излучения в долгоживущий квазисолитон. Рассматриваются наиболее значимые результаты исследования по эволюции долгоживущих фумтосекундных квазисолитонов в сапфире и кварцевом стекле. Определяются параметры лазерного излучения и среды, наиболее благоприятные для формирования квазисолитона.

В разделе 1.1. представлено селективное описание влияния таких процессов, как дифракция, дисперсия групповой скорости, самофокусировка, обусловленная керровской нелинейностью, многофотонная и лавинная ионизации, туннелирование на эволюцию пространственно временного профиля лазерного пучка, распространяющегося в кристалле диэлектрика при различных параметрах лазерного излучения.

В разделе 1.2. используя оригинальное комбинирование ряда численных методов, разрабатываются физическая и численная модели распространения мощного импульсного пучка в диэлектрике с учётом дифракции, дисперсии, керровской нелинейности, вклада нелинейности лазерной плазмы и ионизации (многофотонной (МФИ) и лавинной ионизаций).

Для корректного описания процесса эволюции импульсного пучка необходимо модифицировать традиционно используемое нелинейное уравнение Шредингера с учетом ионизации:

E i 2 1 -1 D 2E - i = + T E 2 2 + Pnl z 2k r2 r r P = ik0n2T E E - 1 WMPIU IBS - T (1+ i0 )E - E nl c 2. (1) 2 E = WMPI + E t r E z Здесь – амплитуда напряжённости электрического поля, – продольная r T = (1+ i 0 )- оператор, координата, – поперечная координата, оператор учитывающий влияние конечной ширины спектра на дифракцию и = t D самовоздействие, - z vg – время в движущейся системе координат, – коэффициент дисперсии групповой скорости, – несущая частота лазерного излучения, – характерное время столкновений электронов, – плотность c m WMPI = ( I at ) – скорость многофотонной свободных электронов в среде, m m m ионизации, – коэффициент МФИ, – плотность атомов, – порядок at U многофотонного перехода, – ширина запрещённой зоны диэлектрика.

Поперечное сечение обратного тормозного излучения, следуя модели IBS Друдде-Стюарта:

2 2 = k0 n0 c (1+ 0c ). (2) IBS c На входе аксиальносимметричный гауссов импульсный пучок:

2 E(r,0,t)= exp(- r2 w0 - t2 ), (3) p wгде – начальный радиус пучка, а – длительность импульса.

p При верификации модели ряд расчётов производился с использованием параметров, соответствующих условиям экспериментов, известных из публикаций. Полученные результаты контрольных расчётов соответствовали данным сопоставленных экспериментов.

Далее, на примере сапфира, показано, что при с средних интенсивностях I0 =падающего излучения в диапазоне величин ТВт/cм2 форма пространственно-временной огибающей интенсивности при распространении на одну дифракционную длину заметных искажений не претерпевает. Имеет место небольшой рост пиковой интенсивности, тем больший, чем меньше диаметр падающего пучка. Рост плотности свободных электронов таков, что её величина оставалась как минимум на порядок меньше критического значения, при котором начинаются необратимые структурные изменения в кристалле диэлектрика. Однако уже при начальной интенсивности 12 ТВт/cм2 форма огибающей интенсивности в процессе распространения импульса становится заметно асимметричной.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»