Close

Физика сверхмощных и предельно коротких импульсов

Сверхмощные импульсы ближнего и среднего ИК диапазонов

Физические процессы и новые явления, возникающие при воздействии интенсивных сверхкоротких лазерных импульсов на вещество, являются одной из актуальной и интересных задач современной оптической науки. Лазерные системы, позволяющие получать такие импульсы, являются ключевым фактором в таких фундаментальных научных исследованиях, поскольку позволяют исследовать известные и открывать новые физические, химические и биологические свойства природных объектов, устанавливать основные закономерности и законы окружающего мира [1].

С момента предсказания Эйнштейном возможности вынужденного излучения [2] велись исследования по созданию систем, позволяющих получить усиление и генерацию когерентного направленного электромагнитного излучения, которые привели в середине 50-х годов 20-го века к созданию мазеров [3, 4]. Буквально через несколько лет удалось предсказать [5] и затем получить генерацию когерентного импульсного излучения в оптическом диапазоне частот [6]. С этого момента развитие лазерных систем подчинялось стремлению получить наибольшую концентрацию когерентного излучения.

Увеличение интенсивности оптического излучения предоставляло исследователям новые возможности изучения фундаментальных физических законов, а изобретение техники усиления чирпированных импульсов [7] открыло новую область – релятивистскую оптику [8]. Релятивистские уровни интенсивности электромагнитного излучения способны разгонять электроны до скоростей,  сравнимых со скоростью света. Для достижения такого режима широко используемыми лазерными системами видимого и ближнего инфракрасного диапазона необходимо достичь интенсивности поля в диапазоне 1019 Вт/см2. Такие электромагнитные поля оказываются достаточно эффективными для генерации оптических гармоник высокого порядка, что, в свою очередь открывает дорогу к генерации лазерных импульсов атто- (10-18) и зептосекундных (10-21) длительностей.

В распоряжении научной группы имеются уникальные лазерные системы, позволяющие исследовать физические процессы, происходящие при экстремальных уровнях интенсивности оптических импульсов. В лаборатории передовой фотоники Российского квантового центра создана лазерная система, позволяющая создавать импульсы электромагнитного поля рекордной интенсивности на длине волны около 4 мкм. Впервые в мире на данной системе была получена филаментация лазерного излучения среднего ИК диапазона в атмосфере окружающего воздуха [9]. В НИЦ «Курчатовский институт» начинаются эксперименты на субпетаватной лазерной системе [10], работающей в ближнем ИК диапазоне. Программа экспериментальных исследований включает в себя:

  • Изучение режимов множественной филаментации лазерных импульсов с энергиями до нескольких джоулей в газовых средах низкого давления;
  • Генерация предельно коротких лазерных импульсов с длительностью порядка одного цикла поля и суб-джоулевыми энергиями; достижение релятивистских интенсивностей при облучении мишеней такими импульсами
  • Исследование взаимодействия рентгеновского излучения, а также частиц, ускоренных до высоких энергий, с биологическими объектами
  • Прототипирование экспериментов на рентгеновском лазере на свободных электронах (XFEL).
  • Генерация одиночных аттосекундных рентгеновских лазерных импульсов в релятивистском режиме на поверхности твердотельных мишеней и в газовых струях
  • Проведение памп-проб экспериментов в газовой фазе и на поверхностях твердых тел с аттосекундным временным разрешением
  • Исследование строения вещества с субатомным пространственным и временным разрешением
  • Генерация мощных терагерцовых импульсов с напряженностью поля 10 МВ/см в режиме двухцветной филаментации
  • Исследование различных методов ускорение электронов лазерным полем (вплоть до ГэВ уровня энергий); генерация электронных сгустков длительностью несколько фемтосекунд
  • Получение пучков высокоэнергетичных протонов при облучении тонкопленочных мишеней лазерными импульсами мульти-тераваттной мощности; визуализация микроструктур в протонных пучках.

Данные лазерные системы способны генерировать импульсные оптические поля с напряженностью, существенно превосходящей внутриатомную, переводя вещество в экстремальное состояние и позволяя моделировать ядерные и термоядерные реакции, а также управлять процессами в физических, химических и биологических системах на молекулярном уровне.

Оптика предельно коротких лазерных импульсов

Фундаментальным физическим пределом временной длительности лазерного импульса является оптический период электромагнитной волны. Длительность одного оптического периода составляет несколько фемтосекунд (1 фс = 10-15 с) на длине волны стандартных титан-сапфировых лазерных систем. Настолько короткие импульсы, состоящие из всего нескольких или даже одной осцилляции электромагнитного поля, представляют особенный интерес и важное направление передовых исследований в области нелинейной оптики. Они остро требуются для исследования сверхбыстрых оптических процессов ионизации атомов и молекул в высокоинтенсивных лазерных полях, идущих на аттосекундном (1 ас = 10-18 с) характерном временном масштабе. Они необходимы в нелинейной спектроскопии с максимальным временным разрешением для исследований аттосекундной динамики электронов в атомах. Они позволили открыть новые явления оптики сверхкоротких импульсов, которые не проявляются у импульсов с длительностью много оптических периодов, например самоукручение заднего фронта импульса и образование так называемых ударных волн, т.е. волн с резким, практически вертикальным временным фронтом. В представлении Фурье спектр предельно коротких импульсов представляет собой мультиоктавный суперконтинуум, т.е. непрерывно покрывает спектральный диапазон шириной несколько октав и нередко перекрывает несколько спектральных диапазонов – часть ультрафиолетового, весь видимый, ближний инфракрасный и часть среднего инфракрасного диапазона. Настолько широкие спектры имеют отдельную ценность в нелинейной спектроскопии молекул и атомов и для методов стабилизации фазы поля импульса относительно огибающей этого поля.

Однако при исследовании таких импульсов встает ряд сложных и трудоемких задач, включающих создание источников однопериодных и субпериодных импульсов, их характеризацию и поиск методов управления их оптическими параметрами. На сегодняшний день активные усиливающие лазерное излучение кристаллы не способны поддерживать усиление в спектральном диапазоне более октавы, а это условие является необходимым для генерации однопериодных импульсов. Поэтому не существует лазеров, дающих такие импульсы непосредственно, а для их генерации используются различные нелинейно-оптические методы (рис. 1), в том числе разработанные нашей научной группой  [11 — 14].

1

Рис. 1. Метод генерации субпериодных импульсов в  полых антирезонансных фотонно-кристаллических волноводах. (a) Спектр импульса энергии 16 мкДж на выходе полого фотонно-кристаллического волновода длиной 31 см, заполненного аргоном при давлении 16 атм. Сплошной кривой показан экспериментально измеренный спектр, заливкой показан расчетный спектр. (б) измеренный профиль выходной моды излучения, (в) временной профиль интенсивности (сплошная кривая) и её огибающей (штриховая кривая), рассчитанной с помощью решения обобщенного нелинейного уравнения Шрёдингера, (г, д) расчетные карты зависимостей (г) спектра и (д) временного профиля огибающей импульса от координаты распространения импульса в волноводе.

Характеризация субпериодных импульсов является сложной задачей, измерение их мультиоктавного спектра приходится делать на нескольких спектрометрах, типично требуются четыре спектрометра на ультрафиолетовый, видимый, ближний и средний ИК-диапазоны с перекрывающимися диапазонами чувствительности. Чтобы измерить временной профиль настолько коротких импульсов традиционный метод разрешенного по частоте оптического стробирования сигнала второй гармоники не подходит из-за того, что сигнал второй гармоники перекрывается с мультиоктавным спектром самого импульса. По этой же причине часто не подходит метод стробирования многих других традиционных нелинейных сигналов. Проблема частично решается точным выбором типа нелинейного взаимодействия и тщательным подбором параметров взаимодействующих волн индивидуально для каждого субпериодного импульса. В нашей лаборатории разработаны уникальные методы характеризации субпериодных оптических полей [15-16].

Традиционные методы спектральных и временных нелинейно-оптических преобразований импульсов длительностью более десятка оптических периодов зачастую неприменимы к полям однопериодной длительности из-за сильного влияния эффектов дисперсии высших порядков, самоукручения и ионизации среды. Однопериодные и субпериодные импульсы требуют разработки новых эффективных методов управления их параметрами, в том числе центральной частотой, временной огибающей, фазой, формой спектра, спектральной фазой, фазой поля относительно его огибающей, разрабатываемых в нашей научной группе [16].

  1. А.М. Желтиков, Сверхкороткие импульсы и методы нелинейной оптики, Москва, Наука, 2006.
  2. A. Einstein «Zur Quantentheorie der Strahlung» [On the Quantum Mechanics of Radiation].Physikalische Zeitschrift (in German), 1917,18,p. 121–128.
  3. Басов Н.Г., Прохоров А.М. Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул. – ЖЭТФ, 1954, т.27, вып.4 (10), с.431–438.
  4. Gordon J.P., Zeiger H.J., Towns C.H. The Maser–New Type of Microwave Amplifier, Frequency Standard, and Spectrometer. – Physical Review, August 1954, v.99, Issue 4, p.1264–1274.
  5. Schawlow A.L., Townes C.H. Infrared and Optical Masers. – Physical Review, December 1958, v.112, Issue 6, р.1940–1949.
  6. Maiman T.H. Stimulated optical radiation in ruby.Nature, 1960, v.187, p.493–494.
  7. D. Strickland, G. Mourou. Compression of amplified chirped optical pulses. — Optics communications 55 (6), 447-449 (1985).
  8. Gerard A. Mourou, Toshiki Tajima, and Sergei V. Bulanov. — Optics in the relativistic regime. Rev. Mod. Phys. 78, 309 (2006).
  9. A. V. Mitrofanov, A. A. Voronin, D. A. Sidorov-Biryukov, A. Pugžlys, E. A. Stepanov, G. Andriukaitis, S. Ališauskas, T. Flöry, A. B. Fedotov, A. Baltuška, and A. M. Zheltikov. Mid-infrared laser filaments in the atmosphere. Scientific reports, 5:8368, 2015.
  10. Aleksandr V. Mitrofanov, Maxim M. Nazarov, Aleksandr A. Voronin, Dmitry A. Sidorov-Biryukov, Vladislav Ya Panchenko, and Aleksei M. Zheltikov. Free-beam spectral self-compression at supercritical peak powers. Optics Letters, 43(22):5693–5696, 2018.
  11. Shumakova V., Malevich P., Ališauskas S., Voronin A., Zheltikov A.M., Faccio D., Kartashov D., Baltuška A., Pugžlys A. Multi-millijoule few-cycle Mid-IR pulses through nonlinear self-compression in bulk. Nature Communications 7, 12877 (2016)
  12. Stepanov E.A., Lanin A.A., Voronin A.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Solid-State Source of Subcycle Pulses in the Midinfrared. Physical Review Letters 117, 043901 (2016).
  13. Voronin A.A., Zheltikov A.M. Power-scalable subcycle pulses from laser filaments. Scientific Reports 7, 36263 (2017).
  14. Fan G., Balčiūnas T., Fourcade-Dutin C., Haessler S., Voronin A.A., Zheltikov A.M., Gérôme F., Benabid F., Baltuška A., Witting T. X-SEA-F-SPIDER characterization of over octave spanning pulses in the infrared range. Optics Express 24, 12713 (2016).
  15. Lanin A.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Ultrabroadband XFROG of few-cycle mid-infrared pulses by four-wave mixing in a gas. JOSA B 31, 1901-1905 (2014).
  16. Voronin A.A., Nomura Y., Shirai H., Fuji T., Zheltikov A. Half-cycle pulses in the mid-infrared from a two-color laser-induced filament. Applied Physics B 2, 611-619 (2014).