Взаимодействие световых импульсов из малого числа колебаний при нелинейном отражении от диэлектриков

Оглавление
Введение............................................................4
Глава 1 Методы анализа отражения световых импульсов от нелинейных сред (обзор)........................................................14
1.1 Методы теоретического анализа отражения квазимонохроматических световых импульсов от нелинейных сред..........................14
1.2 Методы теоретического анализа отражения световых импульсов из малого числа колебаний от нелинейных диэлектрических сред......21
1.3 Экспериментальные исследования отражения сверхкоротких импульсов высокой интенсивности от нелинейных сред.............24
Глава 2. Изменения пространственно-временного спектра световых импульсов из малого числа колебаний при нелинейном отражении от диэлектрических сред................................................28
2.1 Уравнения динамики сверхшироких спектров излучения и используемые модели диэлектрических сред.......................28
2.2 Вывод соотношения между пространственно-временным спектром отраженного и падающего на границу раздела диэлектрических сред излучения......................................................30
2.3 Нормировка соотношения между пространственно-временным спектром отраженного и падающего на границу раздела диэлектрических сред излучения.................................34
Глава 3. Закономерности нелинейного отражения от диэлектрических сред одиночного импульса из малого числа колебаний светового поля........37
3.1 Аналитические соотношения и алгоритмы численного моделирования нелинейного отражения от диэлектрических сред одиночного импульса из малого числа колебаний светового поля 37
3.2 Изменения в характере нелинейного отражения от диэлектрических сред одиночного импульса при уменьшении числа колебаний поля в нем вплоть до всею одного..........................................39
Глава 4. Закономерности нелинейного отражения от диэлектрических сред суперпозиции двух импульсов из малого числа колебаний светового поля ....................................................................51
4.1 Нелинейное отражение двух одновременно падающих на границу раздела импульсов из малого числа колебаний разного спектрального состава при изменении их длительностей............................51
4.2 Нелинейное отражение падающих на границу раздела импульсов из малого числа колебаний на основной и удвоенной частотах с временной
задержкой между ними.............................................65
Глава 5. Экспериментальные исследования генерации кратных и комбинационных частот при отражении фемтосекундного излучения от нелинейных диэлектрических сред....................................75
5.1 Нелинейное отражение фемтосекундного излучения от диэлектрика ..............................................................75
5.2 Взаимодействие высокоинтенсивного фемтосекундного излучения и его второй гармоники при нелинейном отражении от диэлектрика 77
Заключение.........................................................80
Основные работы, опубликованные по теме диссертации..............82
Благодарности....................................................86
Список использованных источников .................................87
Приложение 1.....................................................98
3
Введение
Актуальность темы:
За последние два десятилетия развитие лазерных технологий перешагнуло рубеж по длительности генерируемых высокоинтенсивных оптических импульсов, равный десяткам фемтосекунд [1-5]. Это привело к стремительному развитию как теоретических, гак и экспериментальных исследований нелинейной оптики импульсов из малого числа колебаний или, как их часто называют, предельно-коротких импульсов (ПКИ). Под предельно малым при этом подразумевают число колебаний поля в импульсе [6-18]. Интенсивность таких импульсов при фокусировке может лежать в тера- и петаваттном диапазоне (10 -1015 Вт/см2) при относительно небольшой общей энергии импульса [19].
Оптика электромагнитных волн, которые состоят лишь из нескольких колебаний светового поля, имеет ряд особенностей по сравнению с оптикой более длинных импульсов. Во-первых, благодаря предельно малой длительности импульсов при взаимодействии их с оптической средой не происходит разрушение вещества даже при достаточно высокой интенсивности излучения. Нелинейные эффекты, слабые в поле длинных импульсов, в данном случае становятся ярко выраженными и хорошо наблюдаемыми [20-23]. Во-вторых, для ПКИ, временной спектр которых является сверхшироким, традиционный для нелинейной оптики теоретический метод медленно меняющейся огибающей импульса, строго обосновываемый для
4
квазимонохроматического излучения, становится не применимым. В 1990-е годы появилось значительное число работ, в которых распространение ПКИ в нелинейных средах рассматривалось на основе уравнений динамики не огибающей, а непосредственно электрического поля или спектра светового импульса [24-34].
К настоящему времени широко исследованы закономерности взаимодействия ПКИ с различными линейными и нелинейными средами. Разработаны математические модели динамики ноля и спектра излучения, учитывающие разные малоинерционные механизмы нелинейности оптической среды [35-48], в том числе плазменной нелинейности [49, 50]. Хорошо изучены различные сценарии самовоздействия ПКИ, включая их самофокусировку [51-57]. Построены основы теории взаимодействия в нелинейных средах сонаправленных и встречных оптических импульсов со сверхширокими спектрами, в том числе из малого числа колебаний светового поля [58-61].
Однако публикации, посвященные изучению особенностей нелинейного отражения импульсов из малого числа колебаний, к началу настоящей работы были единичны [62, 63]. В то время как нелинейное отражение - это фундаментальное явление нелинейной оптики, поскольку оно реализуется на каждой границе раздела оптических сред на пути распространения интенсивного излучения. Кроме того, оно может иметь и практическое значение в оптике ПКИ, поскольку при взаимодействии импульсов из малого числа колебаний, одновременно падающих на границу раздела сред, отражаются новые ПКИ на кратных и комбинационных частотах, параметрами которых можно управлять в
5
широких пределах, например, временным сдвигом падающих на границу раздела ПКИ. Это явление можно использовать для расширения спектрального диапазона генерации ПКИ.
Цель работы:
Построение теоретической модели и выявление теоретически и экспериментально основных закономерностей взаимодействия импульсов из малого числа колебаний светового поля при отражении от нелинейной диэлектрической среды.
Задачи исследования:
1. Вывод зависимости характеристик пространственно-временного спектра оптического излучения, отраженного от нелинейной диэлектрической среды, от характеристик пространственно-временного спектра падающего на границу раздела сред излучения, состоящего из малою числа колебаний.
2. Теоретический анализ изменений в характере отражения световых импульсов от нелинейных диэлектрических сред при уменьшении числа осцилляций поля в импульсе вплоть до всею одного полного колебания.
6
3. Выявление теоретически и экспериментально закономерностей одновременного отражения от нелинейных диэлектрических сред суперпозиции двух импульсов из малого числа колебаний разного спектрального состава.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Выведена зависимость характеристик пространственно-временного спектра оптического излучения, отраженного от однородной изотропной диэлектрической среды с безынерционной кубичной по нолю нелинейностью, от характеристик пространственно-временного спектра, падающего на границу раздела по нормали параксиального линейно поляризованного излучения, состоящего из малого числа колебаний.
2. При уменьшении числа колебаний вплоть до всего одного в падающем по нормали на диэлектрическую среду с безынерционной кубичной нелинейностью оптическом импульсе максимум в спектре отраженного излучения, генерируемого на утроенных частотах, сдвигается в высокочастотную область. При этом спектры отраженного излучения на основных и утроенных частотах интерферируют так, что нулевое значение суммарного спектра также смещается в высокочастотную область, тем больше, чем выше его пространственная частота
3. При одновременном отражении от однородной изотропной диэлектрической среды с безынерционной кубичной по полю нелинейностью двух импульсов из малого числа колебаний светового поля
7