Содержание
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 5
Введение, актуальность темы диссертации 4
Цели диссертационной работы 7
Научная новизна работы 8
Научное и практическое значение работы 11
Апробация работы 13
Основное содержание работы 14
РАЗДЕЛ I. ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА И МЕТОДЫ ИХ ДИАГНОСТИКИ [ 17, 18,27,28,32] 17
1.1. 10-и фемтосекундный кольцевой лазер на корунде с титаном 19
1.2. Восстановление амплитудных и фазовых характеристик сверхкороткого волнового пакета с помощью автокорреляционных методов 27
1.3. Выводы 42
РАЗДЕЛ II. ТЕРАВАТТНЫЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ Т1:БА ЛАЗЕРНЫЙ КОМПЛЕКС [1,2,4,11,14] 43
2.1. Задающий генератор 45
2.2. Стретчер 47
2.3. Развязка Фарадея 48
2.4. Регенеративный усилитель 49
2.5. Усилители мощности 51
2.6. Компрессор 52
2.7. Система диагностики параметров фемтосекундных импульсов 55
2.8. Выводы 56
2
РАЗДЕЛ III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО
ФЕМТОСЕКУНДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
[3,4,6-13,15,16,19-26,29-32] 57
3.1. Аксиконная фокусировка мощного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики 58
3.1.1. Расчет параметров каустики аксикона при фокусировке фемтосекундных импульсов 59
3.1.2. Экспериментальное исследование воздействия мощного фемтосекундного излучения на прозрачные диэлектрики при аксиконной фокусировке 65
3.2. Преобразование спектра фемтосекундного излучения при лазерной ионизации газовой среды 72
3.2.1. Структура спектра 3-ей гармоники, возникающей при лазерной ионизации газов в свободном пространстве 73
3.2.2. Преобразование спектра основной частоты при лазерной ионизации в газонаполненном капилляре 78
3.3 Выводы 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 99
Основные результаты 99
Список работ по теме диссертации 101
Цитированная литература 109
3
»
Общая характеристика работы
Развитие лазерной физики привело к революционному скачку в технике генерации сверхкоротких световых импульсов. К концу 90-х годов прошлого столетия длительность лазерных импульсов, излучаемых непосредственно оптическими квантовыми генераторами сократилась до нескольких оптических периодов и составила величину менее 10
фемтосекунд (10',4с) [1* - 2*]. Эти достижения были получены благодаря
следующим обстоятельствам:
Во-первых, были синтезированы широкополосные лазерные среды, позволяющие усиливать оптическое излучение в полосе более 5-102 см’1, что позволяет возбуждать 105-И0б мод резонатора типичной для лазера длиной ~ 1 метра. Среди довольно большого класса таких сред рекордсменом по ширине полосы усиления до сих пор остается сапфир с титаном (А120з:ТГ ) — Ti:Sa. Именно в таком лазере удалось получить длительность выходного импульса в несколько оптических периодов, ширина спектра излучения которого практически соответствует ширине полосы усиления активного элемента.
Во-вторых, к этому времени оказались достаточно хорошо разработанными методы синхронизации лазерных мод, позволяющие концентрировать электромагнитную энергию в короткие временные интервалы - вплоть до фемтосекундного диапазона длительностей. Экспериментаторам удалось использовать для этой цели наименее инерционную электронную (керровскую) нелинейность самой лазерной среды. В литературе такой механизм синхронизации мод получил аббревиатуру KLM от английского словосочетания Kerr Lens Mode locking
[3*]. Необходимо отметить, что здесь результат действия самофокусирующей керровской нелинейности приводит к
4
положительному эффекту, что не часто бывает в лазерной физике и нелинейной оптике. Практически во всех схемах фемтосекундных лазеров для проявления этой нелинейности и, как следствие, синхронизации мод, используется специальная геометрия резонатора лазера, в которой определенным образом подбираются поперечные размеры пучка накачивающего лазера и моды резонатора фемтосекундного ОКГ.
В-третьих, техника генерации сверхкоротких лазерных импульсов стимулировала интенсивное развитие фемтосекундной оптики, что позволило, например, разработать методы управления временной
дисперсией материальной среды. В свою очередь, фемтосекундная оптика, за счет взаимодействия с лазерной физикой, дала бурное развитие новым научным направлениям и технологиям нового поколения, в которых сверхкороткая длительность лазерных импульсов играет ключевую роль. Среди таких направлений можно выделить управление процессами в физических [41-44], химических и биологических [45] системах на молекулярном уровне, коммуникационные технологии с рекордной
плотностью передачи информации, прецизионная микрообработка
материалов [46-48] и медицинские приложения.
Следует особо отметить, что фемтосекундная оптика послужила основой для развития другой стратегически важной области знаний -физики сверхсильных полей и порождаемых ими экстремальных состояний вещества. Прогресс в этой области обусловлен созданием тераваттных (1012 Вт) фемтосекундных лазерных комплексов на основе твердотельных широкополосных усиливающих сред. Оптические поля с
I о л
интенсивностями более 10 Вт/см , образующиеся при фокусировке таких лазерных импульсов, на несколько порядков превосходят уровень внутриатомных полей и приводят к релятивистскому движению
электронов, что позволяет на коротких временных интервалах взаимодействия создавать состояния вещества с экстремальными свойствами. Как это видно уже сейчас, тераваттные фемтосекундные
лазерные комплексы становятся экспериментальной базой для развития новых направлений в атомной физике, физике ускорителей заряженных частиц, в исследованиях по короткоимпульсным источникам излучения в рентгеновском и гамма диапазонах частот. Помимо значительного влияния на развитие новых научно-технических направлений, создание таких комплексов служит своеобразным свидетельством передового уровня высоких технологий в стране. Это связано так же и с тем, что при увеличении мощности источников сверхсильных лазерных полей до мультитераваттного и петаваттного уровня они могут быть использованы для непосредственного моделирования в лабораторных условиях процессов, протекающих в ядерных и термоядерных реакциях. Таким образом, все перечисленные выше обстоятельства и обуславливают актуальность диссертационной работы в целом.
Следует отметить, что представляемая диссертация является экспериментальным исследованием и, следовательно, основные результаты работы получены в соавторстве, что отражено в публикациях. Автору данной диссертационной работы принадлежит ведущая роль на этапах постановки экспериментальных проблем, создании установок и схем проводимых экспериментов, а так же в получении и интерпретации всех результатов, включенных в основные результаты диссертации.
Актуальность вопросов, составляющих первый раздел диссертации связана с созданием фемтосекундного лазерного источника с предельно короткой длительностью выходного импульса, а так же с проблемами измерения временных параметров сверхкоротких волновых пакетов. Обе эти проблемы являются общефизическими, причем каждая из них определяет широкий круг научных и прикладных направлений. Глубокое понимание процессов происходящих при генерации лазерных импульсов фемтосекундного диапазона позволило создать простой и относительно недорогой лазер с длительностью выходного импульса около 10 фс. Детальный анализ работы классического интерференционного
автокоррелятора интенсивности продемонстрировал возможность восстановления временных амплитудных и фазовых характеристик сверхкороткого волнового пакета (по крайней мере, для некоторого класса оптических сигналов), и позволил предложить простой метод измерения дисперсионных характеристик прозрачных материалов во втором приближении теории дисперсии.
Второй раздел диссертации посвящен созданию первого в РФ фемтосекундного лазерного комплекса с выходной мощностью тераваттного уровня, позволяющего получать, при не очень жесткой фокусировке, сверхсильные электромагнитные поля. Актуальность этой части работы вызвана тем огромным интересом, который наблюдается в мире в последние 15-20 лет в связи с появлением в руках исследователей небывалого доселе инструмента изучения материального мира.
Актуальность последнего раздела диссертации связана с изучением новых явлений происходящих при взаимодействии мощного излучения с веществом и логически следует из предыдущих разделов. По существу, эти первые эксперименты, наряду со многими другими, выполненными многочисленными исследователями, как в России, так и за рубежом, легли в основу нового научного направления - физики взаимодействия сверхсильных полей с веществом.
Цели диссертационной работы
Основной целью работы было создание источника сверхсильных электромагнитных полей на основе фемтосекундного лазерного комплекса тераваттного уровня мощности. Однако, как всегда при решении крупной научно-технической проблемы возникают интересные задачи, имеющие не только вспомогательное, но самостоятельное значение. К числу таких задач, представленных в диссертации, относятся задачи генерации предельно короткого лазерного импульса и восстановления временных
амплитудных и фазовых характеристик сверхкороткого волнового пакета. Экспериментальное решение этих задач так же составило цель настоящей работы. И, наконец, разработка методов исследования поведения вещества при взаимодействии с мощным оптическим излучением и объяснение экспериментально наблюдаемых явлений составило еще одну цель диссертационной работы.
Научная новизна работы
1. На основе анализа дисперсионных свойств различных материалов создан широкополосный призменный компенсатор дисперсии наилучшим образом устраняющий дисперсию Тква активного элемента вблизи центра его полосы усиления (800 нм). Применение этого компенсатора дисперсии в оригинальной схеме лазера на корунде с титаном позволило получить выходную длительность импульса 10 фс при использовании стандартного активного элемента длиной 1см.
2. Разработана простая методика восстановлен и я временного распределения амплитуды и фазы сверхкороткого волнового пакета, основанная на анализе сигнала интерференционного автокоррелятора интенсивности. В предположении гауссовой огибающей фазово-модулированного светового импульса получено аналитическое выражение для сигнала автокоррелятора, наглядно демонстрирующее вид фазовой модуляции лазерного импульса. Экспериментальная апробация методики полностью подтвердила расчеты. Показано, в частности, что квадратичная фазовая модуляция (линейный чирп частоты) определяется в эксперименте с точностью лучше 10%, что дает возможность измерять параметр к: характеризующий дисперсионные свойства материала во втором приближении теории дисперсии.
8
3. Создан первый в России фемтосекундный лазерный комплекс тераваттного уровня мощности с близким к дифракционному пространственным качеством пучка. Получены следующие параметры
выходного излучения:
Пиковая мощность 1012 Вт (1 ТВт),
Длительность импульса 80 фс,
Энергия в импульсе 80 мДж,
Длина волны излучения 800 нм,
Частота следования импульсов 10 Гц
4. Проведен цикл работ по исследованию аксиконной фокусировки мощного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики. Используя метод Френеля - Кирхгофа показано, что сравнительно тонкий (угол при основании ~ 0.2 рад) преломляющий аксикон (коническая линза), изготовленный из традиционных оптических материалов - плавленого кварца или оптического стекла К8 - фокусирует фемтосекундное излучение до длительностей импульса ~ 50 фс практически так же, как и монохроматический сигнал. Уменьшение интенсивности поля на оси аксикона при укорочении длительности падающего импульса связано, как показал анализ, с влиянием дисперсии материала конической линзы, в то время как угловая дисперсия, возникающая при преломлении, достаточно мала.
При фокусировке аксиконом одиночного импульса такого излучения с интенсивностью 1о> 10м Вт/см2 в прозрачный диэлектрик на его оси появляется продольное плазменное образование, поглощающее, как было установлено в эксперименте, до 30% падающей энергии. Это приводит к сильному нагреву ( по оценкам, - 105 град.) приосевой области вещества, в результате чего в нем образуется прямолинейный канал из модифицированного вещества. Для используемой в эксперименте
9
- Киев+380960830922