Нелинейная оптика ионизуемых сред

Традиционные нелинейно-оптические явления, лежащие в основе множества современных приборов лазерной техники – параметрических усилителей и генераторов, КАРС- и КР- спектрометров, ГТГ-микроскопов — являются следствием нелинейного отклика связанных электронов и ядер. Появление лазерных систем, генерирующих мощные сверхкороткие световые импульсы, позволяет исследовать и применять новый класс нелинейно-оптических эффектов, в которых электроны высвобождаются электрическим полем импульса либо при столкновении нейтральной частицы с другим электроном.

Ряд явлений нелинейной оптики ионизуемых сред имеет фундаментальную важность с точки зрения физики твердого тела, атомной физики, квантовой химии. Именно, в поле мощных сверхкоротких лазерных импульсов высвобождение электрона может происходить очень быстро, за время, меньшее десятков аттосекунд (1 ас = 10^-18с). Вылетевший электрон несет информацию о состоянии атома; это дает уникальную возможность наблюдать динамику электронов в атомах и кристаллах с временным разрешением, сравнимым с классическим временем обращения электрона вокруг ядра [1-3].

Оптическая регистрация туннельной ионизации

Нелинейная оптика ионизуемых сред является весьма перспективной и с точки зрения технологических приложений. Образующийся электронный газ, или плазма, меняет показатель преломления среды, позволяя создавать оптические элементы — зеркала, решетки, линзы, волноводы с высоким временным разрешением. Современные лазерные системы генерируют импульсы петаваттной мощности (1 ПВт = 10¹⁵ Вт); преобразование и доставка к мишени такого излучения представляют собой сложную задачу, так как обычные твердотельные оптические элементы разрушаются полем высокой интенсивности.

Плазменные оптические элементы в газе свободны от этого недостатка и потому хорошо подходят для управления мощным излучением. С другой стороны, плазменные структуры с большим контрастом показателя преломления и временным разрешением порядка и меньшим длительности цикла светового поля представляют собой уникальный инструмент для спектрально-временных преобразований лазерных импульсов. В нашей лаборатории ведутся теоретические и экспериментальные исследования нелинейно-оптических эффектов в ионизуемых средах. Объектом изучения являются как сами процессы ионизации и свойства лазерной плазмы на фемтосекундной временной шкале [2-4], так и преобразования мощных лазерных импульсов в ионизуемой среде [5,6]. Нашей научной группой выполнены пионерские работы по преобразованию мощных лазерных импульсов при ионизации в полых фотонно-кристаллических волноводах [5]. Сочетание ионизационной нелинейности и волноводных свойств существенно расширяет возможности волоконно-оптических преобразователей мощных сверхкоротких импульсов.

В нашей лаборатории ведутся исследования свойств плазменных структур в твердом диэлектрике. Твердотельная плазма представляет собой перспективный источник оптической нелинейности для оптических интегральных схем, позволяя с фемтосекундным быстродействием изменять показатель преломления на несколько процентов без необратимого повреждения среды [7].

Ионизационные процессы играют роль и в другом направлении, активно исследуемом нашей лабораторией — в микроспектроскопии биологических тканей. Генерация свободных электронов в большинстве биологических объектов приводит к их разрушению, накладывая ограничения на максимальную интенсивность поля, используемого при исследовании объекта методами нелинейной оптики. Поэтому анализ процессов ионизации и эволюции свободных носителей необходим для построения неинвазивных систем визуализации биологических объектов [8].

Литература

[1] E. Goulielmakis, Zhi-Heng Loh, A. Wirth, R. Santra, N. Rohringer, V. S. Yakovlev, S. Zherebtsov, T. Pfeifer, A. M. Azzeer, M. F. Kling, S. R. Leone, F. Krausz. Real-time observation of valence electron motion Nature, 466, 739-743 (2010)

[2] A.J. Verhoef, A.V. Mitrofanov, E.E. Serebryannikov, D.V. Kartashov, A.M. Zheltikov, A. Baltuska. Optical detection of tunneling ionization, Phys. Rev. Lett, 104, 163904 (2010).

[3] A. Mitrofanov, A. J. Verhoef, E. E. Serebryannikov, J. Lumeau, L. B. Glebov, A. M. Zheltikov, and A. Baltuška. Optical Detection of Attosecond Ionization Dynamics in Transparent Solids in International Conference on Ultrafast Phenomena, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2010), paper FB2.

[4] I. V. Fedotov, P. A. Zhokhov, A. B. Fedotov, A. M. Zheltikov. Probing the ultrafast nonlinear-optical response of ionized atmospheric air by polarization-resolved four-wave mixing Phys. Rev. A, 80, 015802 (2009)

[5] A.B. Fedotov, E.E. Serebryannikov, A.M. Zheltikov. Ionization-induced blueshift of high-peak-power guided wave ultrashort laser pulses in hollow-core photonic crystal fibers. Phys.Rev. A 76, 053811 (2007)

[6] И.В. Федотов, А.Б. Федотов, П.А. Жохов, А.А. Ланин, А.Д. Саввин, А.М. Желтиков Параметрическое преобразование и активное формирование спектра излучения суперконтинуума в поле интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов Письма в ЖЭТФ, 88, 185-188 (2008)

[7] А.М. Желтиков. Сверхбыстрое переключение оптического отклика ионизованной среды интерферирующими лазерными импульсами. Письма в ЖЭТФ, 90, 98 (2009)

[8] A.A. Voronin, A.M. Zheltikov. Ionization penalty in bioimaging Phys. Rev. E, 81, 051918 (2010)