Генерация сверхсильных световых полей и взаимодействие мощного фемтосекундного излучения с веществом

Тип работы:
Диссертация
Предмет:
Лазерная физика
Страниц:
116
Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из 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& quot-14с) [1* - 2*]. Эти достижения были получены благодаря следующим обстоятельствам:

Во-первых, были синтезированы широкополосные лазерные среды, л 1 позволяющие усиливать оптическое излучение в полосе более 5−10 см& quot-, что позволяет возбуждать 105-М06 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: Т1+3) — 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 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

1″) тераваттных (10 Вт) фемтосекундных лазерных комплексов на основе твердотельных широкополосных усиливающих сред. Оптические поля с

18 0 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 I 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.

IV Заключение

Сформулируем основные результаты работы в соответствии с ее разделами.

Показать Свернуть

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение, актуальность темы диссертации

Цели диссертационной работы

Научная новизна работы

Научное и практическое значение работы

Апробация работы

Основное содержание работы 14 РАЗДЕЛ I. ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА И МЕТОДЫ ИХ

ДИАГНОСТИКИ [17,18,27,28,32]

1.1. 10-и фемтосекундный кольцевой лазер на корунде с титаном

1.2. Восстановление амплитудных и фазовых характеристик сверхкороткого волнового пакета с помощью автокорреляционных методов

1.3. Выводы 42 РАЗДЕЛ И. ТЕРАВАТТНЫЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ТГБА ЛАЗЕРНЫЙ КОМПЛЕКС [1,2,4,11,14]

2.1. Задающий генератор

2.2. Стретчер

2.3. Развязка Фарадея

2.4. Регенеративный усилитель

2.5. Усилители мощности

2.6. Компрессор

2.7. Система диагностики параметров фемтосекундных импульсов

2.8. Выводы

РАЗДЕЛ III. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО ФЕМТОСЕКУНДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

3,4,6−13,15,16,19−26,29−32]

3.1. Аксиконная фокусировка мощного фемтосекундного излучения в прозрачные диэлектрики

3.1.1. Расчет параметров каустики аксикона при фокусировке фемтосекундных импульсов

3.1.2. Экспериментальное исследование воздействия мощного фемтосекундного излучения на прозрачные диэлектрики при аксиконной фокусировке

3.2. Преобразование спектра фемтосекундного излучения при лазерной ионизации газовой среды

3.2.1. Структура спектра 3-ей гармоники, возникающей при лазерной ионизации газов в свободном пространстве

3.2.2. Преобразование спектра основной частоты при лазерной ионизации в газонаполненном капилляре

3.3 Выводы

Список литературы

1. Схема фемтосекундного лазера со сложенным кольцевым резонатором 21

2. Дисперсия групповой задержки в кольцевом резонаторе. Кривые 1, 2,3, — дисперсия, вносимая парой призм изготовленных из CaF2, SiO2 и LiF соответственно. Кривая 5 & mdash-суммарная дисперсия в резонаторе, содерэюащем призмы из LiF. 24

3. Автокорреляционная функция интенсивности и спектральное распределение выходного излучения кольцевого фемтосекундного лазера. 26

4. Выводы Таким образом, основные результаты данного

5. Развязка Фарадея Фарадеевская развязка выполняет одновременно две задачи: 1 предотвращает задающий генератор от обратной реакции усилительной системы- 2 -направляет усиленное излучение после регенеративного усилителя в систему оконечных усилителей мощности. В ее состав входят оптический вентиль Фарадея на постоянных магнитах, поляризаторы и 48

6. Компрессор Последним принципиально необходимым элементом тераваттного комплекса является устройство, осуществляющее восстановление временной формы исходного фемтосекундного импульса компрессор. Это устройство представляет собой линейную систему с сильной аномальной дисперсией. Для идеального восстановления исходной формы фемтосекундного импульса необходимо знать частотную зависимость 52

7. Одноимпульсная автокорреляционная функция интенсивности выходного излучения системы (длительность 80 фс по лоренцевой аппроксимации, обозначенной пунктирной линией) при величине энергии в импульсе 80 мДж. 54

8. Выводы Таким образом, основным результатом этого

9. Схема фокусировки фемтосекундного импульса конической линзой. 60

10. Остальные параметры в (3.1. 1) брались близкими к эксперименту [11]: у5= 0. 2рад, R 1 см- длина волны излучения Л=0. 8мкм, характерный поперечный размер падающего пучка го=О.5 см. Продольное и поперечное распределения интенсивности на оси аксикона, нормированные на входную /о, приведены на рис. 3.2 и 3.3 соответственно. Как следует из этих рисунков, дисперсия материала аксикона начинает оказывать заметное влияние с длительностей примерно в 30 фс как для стекла К-8, так и КУ11. Максимальное значение интенсивности поля на 62

12. Зависимость пиковой интенсивности в каустике аксикона от продольной координаты z/zf, где Zf R/[P (n-l)], для разных длительностей импульса т. Кривая для т 50фс практически совпадает с соответствующей зависимостью для непрерывного сигнала. 63

13. Поперечное распределение интенсивности поля в каустике аксикона при z/zf 0.5 ит 10 и 50фс для аксикона из кварца и стекла К-8. 64

14. Экспериментальное исследование воздействия мощного фемтосекундного излучения на прозрачные диэлектрики при аксиконной фокусировке Схема эксперимента по воздействию мощного фемтосекундного излучения на прозрачные диэлектрики при фокусировке конической линзой приведена на Рис. 3.

15. Параметры фокусируемого излучения были 65

16. Структура излучения прошедшего через образцы, изготовленные из различных материалов, при аксиконной фокусировке. Яркая точка в центре рисунка излучение основной частоты, прошедшее сквозь отверстие в центре аксикона, первое белое кольцо структура основного излучения, сформированная конической линзой- следующие цветные кольца образующиеся на выходе образца при возникновении плазменного канала в каустике. 68

17. Преобразование спектра фемтосекундного излучения при лазерной ионизации газовой среды Первые эксперименты по воздействию фемтосекундного излучения с интенсивностью 1ОВт/см на инертные газы [50*, 51*] показали гармоник в спектре излучения, наличие большого числа нечетных выходящего из лазерной плазмы. Распределение интенсивности от номера гармоники п после быстрого начального спадания переходило в [50*] оно простиралось почти до п 100 и 72 протяженное плато. В работе

18. Спектрально-пространственное распределение третьей гармоники для Аг. 11

19. Источником мош, ного излучения служил разработанный нами фемтосекундный комплекс см.

20. Следовательно, г| T|ITI2. ДЛЯ ОСНОВНОЙ МОДЫ Е Н Ц капилляра диаметром 100 мкм и длиной L 20 см, с которым было выполнено большинство экспериментов, величина т|2 е& quot- (где у коэффициент затухания моды в 79

21. Схема эксперимента. 80

22. Эффективность возбуждения т]] определялась путем вычисления интеграла перекрытия экспериментально измеренного сфокусированного пучка в сечении, соответствующем входному торцу капилляра с поперечным распределением основной моды капилляра ЕНп. Оказалось, что в нашем случае величина т|2 0.

23. Распределение спектральной интенсивности выходного излучения при различных значениях входной энергии в ионизирующем импульсе. В левой колонке (рисунки а, в, д) представлены спектры на оси выходного пучка, в правой (рис. б, г, е) спектры, усредненные по поперечному сечению пучка. Пунктирная кривая вакуумированный капилляр, сплошная кривая капилляр, заполненный аргоном. 85

24. Спектр входного Рис. 3.

25. Спектр входного ионизирующего импульса (пунктир) и ионизирующего импульса (пунктир) на выходе капилляра (сплошная и на выходе капилляра (сплошная входной линия), соответствующий входной линия), соответствующий интенсивности 4. 3−10 Вт/см интенсивности 1. 2−10 Вт/см 90

26. Зависимость спектральной фазы от длины волны (пунктир) в спектре выходного излучения при начальной интенсивности 1. 2−10 Вт/см Сплошной линией представлена аппроксимация этой зависимости полиномом третей степени. Штрих-пунктиром представлен начальный спектр лазерного импульса, сплошной жирной линией спектр выходного излучения. 91

Заполнить форму текущей работой