Главная > Оптика > Оптика фемтосекундных лазерных импульсов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методы, подходы, экспериментальная техника фемтосекундной лазерной оптики стремительно вторгаются в смежные разделы физики, химию, биологию и технику. Представление о происходящих здесь событиях можно составить, обратившись к трудам конференций и специализированным выпускам журналов, цитируемых во Введении; здесь мы практически не касались этих тем.

Разумеется, эту книгу не следует рассматривать и как исчерпывающий обзор современного состояния оптики волновых пакетов предельно малой длительности. Тем не менее завершая ее, мы хотели бы выделить направления исследований, сформировавшихся в самое последнее время и представляющихся особенно многообещающими. Несколько проблем, относящихся как к линейной, так и нелинейной оптике и: практически не нашедших отражения в настоящей книге, заслуживает особого внимания.

Рассеяние коротких световых импульсов в статистически неоднородной среде. Следует ли ожидать новых явлений при многократном рассеянии очень коротких световых импульсов в статистически неоднородной среде? Этот вопрос оживленно дискутировался теоретиками и экспериментаторами в последние годы. Интересный аспект проблемы выявился недавно в связи с поисками эффекта локализации фотонов — аналога андерсоновской локализации электронов в неупорядоченных системах. Обращение к коротким световым импульсам, как показано в [1], позволяет развить временную методику регистрации локализации фотонов в сильно рассеивающих средах.

Оптика сверхкоротких рентгеновских и электронных импульсов. В этих важных как с физической, так и с прикладной точек зрения разделах рентгеновской и электронной оптики сделаны только первые шаги; пока речь идет, конечно, о линейных нестационарных явлениях. Среди возникающих здесь физических задач следует указать на нестационарное динамическое рассеяние рентгеновских лучей и электронов в совершенных кристаллах. Чрезвычайно информативными обещают быть спектроскопические и структурные исследования, использующие для зондирования вещества короткие рентгеновские импульсы и электронные сгустки.

Современная техника генерации таких импульсов во многом опирается на достижения пико- и фемтосекундной оптики. Отметим лишь несколько важных работ. В [2] сообщается о получении коротких

импульсов излучения в диапазоне длин волн при фокусировке лазерных импульсов с длительностью и интенсивностью на танталовую мишень; сходные результаты, полученные в поле фемтосекундных импульсов эксимерной лазерной системы при интенсивностях изложены в [31. Авторами [4, 51 описаны генераторы электронных сгустков длительностью получаемых за счет фотоэмиссии с катода, освещаемого пикосекундным лазерным импульсом.

Некоторые применения оптически индуцированных рентгеновских импульсов приведены в [61, они использовались для спектроскопии сильно возбужденных ионов с временным разрешением В цитированной уже работе [4] сообщается о первом успешном эксперименте по пикосекундной электрохронографии. Электроннограмма тонкой поликристаллической пленки алюминия была получена с временным разрешением таким образом удалось наблюдать быстрый фазовый переход, индуцированный мощным лазерным импульсом. Первые демонстрации выглядят обнадеживающими, и сейчас многие лаборатории занимаются совершенствованием пикосекундных рентгеновских и электронных источников, использующих лазерное возбуждение. Имеются все основания ожидать здесь быстрого прогресса, однако для создания эффективных спектроскопических и диагностических систем нужна адекватная регистрирующая аппаратура. Заметим вместе с тем, что прогрессируют и методы получения коротких рентгеновских импульсов, основанные на иных идеях. В частности, в [7] обсуждаются источники синхротронного излучения с длительностью импульса порядка

Сильные нелинейности, быстрое управление света светом. В большинстве рассмотренных в этой книге задач локальный нелинейный отклик среды считается слабым: в средах с квадратичной нелинейностью в средах с кубичной нелинейностью Сильный энергообмен между волнами с различающимися частотами, формирование стационарных нелинейных волн—солитонов, все это результаты проявляющихся на значительных расстояниях накапливающихся взаимодействий и самовоздействий. Вместе стем, в нелинейной оптике уже длительное время обсуждаются проблемы распространения волн в среде с сильным и быстрым локальным нелинейным откликом (см., например, [8, 9]).

В этой ситуации кардинально меняется картина нелинейного распространения и в особенности самовоздействия коротких импульсов.

Проявлениями сильной локальной нелинейности, нечетной по полю, могут стать безрезонаторная оптическая бистабильность [9] (возможны, в частности, так называемые бистабильные солитоны [10]) и мультистабильность, стохастическая автомодуляция пакетов — столь разнообразными и сложными становятся самовоздействия в этом случае. Пока все эти явления наблюдаются в нелинейных системах с оптической или гибридной обратной связью [11]. Поразительно многообразной оказывается динамика таких систем. Полное использование трехмерного характера светового поля в системах с двумерной обратной связью позволяет наблюдать широкий класс

новых явлений — пространственную оптическую бистабильность и мультистабильность, генерацию динамических периодических пространственных структур и оптическую турбулентность [12]. Тесно примыкают к этим явлениям и интенсивно исследуемые в последнее время поляризационные неустойчивости, мультистабильности и хаос [131.

Хотя в большинстве случаев эти новые явления наблюдаются в поле непрерывных и квазинепрерывных источников на сравнительно медленных, а потому и сильных, кубичных нелинейностях, несомненный принципиальный и прикладной интерес представляет переход к сверхкоротким импульсам. Переключение бистабильных устройств, использующих нелинейно-оптические микрорезонаторы с одномерной обратной связью, осуществляется за времена порядка [11]. Быстрое переключение пространственных структур, двумерное и трехмерное переключение света светом, позволило бы создать сверхбыстродействующие аналоговые оптические компьютеры, оперирующие с нелинейными образами. Все это делает очень актуальным теоретические и экспериментальные исследования пикосекундной динамики разнообразных систем с обратной связью.

Сверхсильные световые поля — от нелинейной оптики атомов и молекул к нелинейной электронной физике. Генерация сверхсильных световых полей, ставшая возможной благодаря эффективному усилению фемтосекундных импульсов в широкополосных оптических усилителях с высокими мощностями насыщения, открыла совершенно новые возможности перед нелинейной оптикой.

Как уже отмечалось в гл. 6, несколько исследовательских групп приступили сейчас к систематическим экспериментам при интенсивностях порядка в импульсах, длительности которых изменяются от 150 до Чтобы понять важность этих достижений для нелинейной оптики, уместно вспомнить значения некоторых параметров, характеризующих фундаментальные процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом. Для удобства сравнения с экспериментальными достижениями выразим их в терминах интенсивностей. Особое значение имеют:

Характерная «атомная» единица интенсивности

— интенсивность, при которой напряженность светового поля равна кулоновскому полю протона на расстоянии порядка боровского радиуса

При дискретная структура атомных уровней не проявляется, линейный и нелинейный оптический отклики вещества определяются электронными переходами в сплошном спектре — на смену нелинейной оптике атомов и молекул приходит нелинейная электронная физика.

Интенсивность приводящая к туннельной ионизации атомов. При этой интенсивности атом за счет туннелирования электрона

ионизуется за время порядка светового периода. Для [14, 15]

где и - энергия связи внешнего электрона в атоме. При (видимый диапазон оптического спектра)

Порог лавинного оптического пробоя Конденсированная среда, не слишком разреженный газ ионизуются, вообще говоря, при интенсивностях света гораздо более низких не только, чем но и Главной причиной ионизации в этом случае становятся процессы лавинного размножения (в процессе столкновений) свободных электронов, набирающих энергию в поле световой волны.

В газе пороговая интенсивность лавинного пробоя [16, 17]

Здесь — характерное «столкновительное» время, критическая (приводящая к пробою) и начальная плотности электронов, длительность лазерного импульса. Зависимость от длительности импульса

имеет особое значение для обсуждаемых ниже вопросов. В поле импульса длительности которого реализуется «предельная» прочность прозрачной среды, определяемая туннельной ионизацией. В этих условиях можно говорить и о реализации предельных возможностей нерезонансной нелинейной оптики конденсированных сред и сравнительно плотных газов.

Характерная «релятивистская» интенсивность В световом поле, напряженность которого

энергия осцилляций электрона становится сравнимой с его энергией покоя. Соответственно «релятивистская» интенсивность

характеризует границу релятивистской нелинейной оптики свободных электронов. Для частот, соответствующих видимому диапазону оптического спектра,

Приведенные в этой книге материалы показывают, что в уже функционирующих мощных фемтосекундных лазерных системах, фемтосекундных системах «первого поколения», перечисленные характерные интенсивности могут быть превзойдены. По-видимому, в самое ближайшее время будет превышена даже максимальная, в этом ряду — релятивистская интенсивность

Сводка современных достижений и перспектив развития техники генерации сверхсильных световых полей с помощью фемтосекундных лазерных систем видимого и ИК диапазонов, базирующаяся на

Таблица (см. скан) Генерация сверхсильных световых полей с помощью фемтосекундных лазерных систем


результатах работ, цитированных в гл. 6, и данных, опубликованных недавно в [18, 19], приведена в таблице.

Пока бесспорными лидерами остаются эксимерные системы на в ближайшей перспективе здесь ожидается генерация импульсов длительностью порядка и энергией до Вместе с тем относительная простота масштабирования эксимерных усилителей позволяет рассчитывать и на дальнейшее продвижение вверх по шкале энергий.

Успехи последних лет в разработке твердотельных лазеров с широкими линиями усиления позволяют по-новому взглянуть на перспективы мощных твердотельных фемтосекундных систем. В таблице в разделе «экспериментальные достижения» приведены результаты, полученные группой Рочестерского университета в системе, использующей стекло с неодимом [18]. Однако новые лазерные материалы, такие, например, как сапфир с ионами титана (ширина линии усиления составляет около позволяют рассчитывать на усиление импульсов длительностью до энергий, достигающих десятков джоулей [18]. Быстро прогрессируют и мощные усилители

на красителях; в [19] сообщается о получении энергии при Все это открывает интереснейшие перспективы перед нелинейно-оптическим экспериментом. По крайней мере три направления исследований представляются особенно важными [20].

Реализация предельных возможностей нерезонансной нелинейной оптики прозрачной среды. Ключевой параметр здесь — оптическая прочность среды. Для наносекундных лазерных импульсов при (многофотонное поглощение несущественно) лавинный пробой прозрачных кристаллов и стекол происходит обычно при имеются указания о возможности повышения этой цифры на один-два порядка в специальных условиях.

В соответствии с приведенной выше формулой для есть все основания ожидать существенного повышения порога в поле фемтосекундных импульсов. Грубая теоретическая оценка для и сотст дает, что для разумеется, для получения надежных данных совершенно необходим детальный эксперимент [20, 22]. Заметим вместе с тем, что повышение порога пробоя до (данные о том, что эти цифры в ряде случаев не слишком далеки от экспериментально наблюдаемых, см. в [19—22]) может кардинально изменить картину нелинейных взаимодействий и самовоздействия.

Действительно, уже при вполне реальной быстрой нелинейной поправке к показателю преломления (см. (2,1 9) и рис. 2.1) при и самофокусировка, и самомодуляция будут радикально отличаться от хорошо изученных в средах со слабой локальной нелинейностью. Указания на новые эффекты подобного рода можно найти в [21, 22]. При в среде с квадратичной нелинейностью при возникает ситуация, когда высшие члены в разложении (3.1.1) поляризации по полю, сравнимые и даже превосходящие по величине низшие, начинают доминировать. Если длина нелинейного взаимодействия становится меньше когерентной длины условия фазового синхронизма уже практически не влияют на эффективность нелинейного взаимодействия.

Неравновесные состояния в полупроводниках и металлах, «сверхбыстрый» нагрев твердотельной плазмы. Длительность фемтосекундных лазерных импульсов зачастую оказывается меньше времени электрон-фононной релаксации и приближается сейчас, пожалуй, к наиболее короткому времени релаксации в твердом теле — времени электрон-электронной релаксации. В ряде лабораторий экспериментируют с генераторами импульсов с энергиями порядка и длительностями около последнее позволяет создавать сильно неравновесные состояния в полупроводниках и металлах — состояния, возбуждение и эволюция которых связаны с рядом новых физических явлений [23, 24]. Следует подчеркнуть, что успех на пути изучения этих новых эффектов определяется не только уровнем разработки генераторов мощных «возбуждающих» фемтосекундных импульсов. В неменьшей мере необходима и фемтосекундная диагностика

неравновесных процессов. Сейчас, когда речь идет о таких коротких временах, единственная возможность — использование оптических методов.

Надо сказать, что методы фемтосекундной линейной и особенно нелинейной лазерной диагностики оказались удивительно эффективными даже при исследовании неравновесных процессов в таких традиционно трудных для оптики объектах, как полупроводники в полосе фундаментального поглощения и металлы [23—25].

Среди недавних достижений в обсуждаемой области укажем на работу [24], где впервые наблюдались эффекты, которые можно отнести к «холодному» плавлению решетки полупроводника (для возбуждения и диагностики использовались фемтосекундные импульсы), на эксперименты по генерации и релаксации сильнонеравновесных электронных ансамблей в металлах [25].

Переход к мощным фемтосекундным импульсам привел к возникновению нового направления в лазерно-плазменных исследованиях, к изучению быстрых нестационарных процессов нагрева и распада плотной плазмы. В поле фгмтосекундных импульсов можно заведомо пренебречь разлетом; нагрев электронной плазмы в металле происходит при плотности частиц порядка В этих условиях удается нагреть плазму до температур импульсами длительностью со сравнительно небольшой энергией [3].

Нелинейная электронная физика, нелинейная квантовая электродинамика. При мы всегда имеем дело с сильно ионизованной средой. Нелинейный отклик здесь — это нелинейный отклик фемтосекундной лазерной плазмы.

Одним из интереснейших новых эффектов стал проявляющийся в сверхсильных полях эффект «надпороговой» ионизации атомов [26]. Неожиданно сильным оказывается нелинейный отклик электрона, рассеивающегося на ионе в поле сверхсильной световой волны; последнее может привести к генерации многих хорошо сфазированных интенсивных гармоник, а следовательно, и к генерации сгустков электрического поля длительностью порядка с [27].

Заметим, наконец, что прорыв в область сверхсильных полей снова привлек интерес к возможностям экспериментального наблюдения эффектов нелинейной квантовой электродинамики. Хотя даже в самых смелых прогнозах речь не идет о генерации световых полей напряженностью при которых возможна генерация электронно-позитронных пар в вакууме («оптический пробой вакуума»), столкновение уже доступных интенсивных лазерных пучков с релятивистскими электронами может привести к наблюдению ряда эффектов, представляющих принципиальный интерес.

При возможна реализация нелинейного томсоновского и нелинейного комптоновского рассеяний. При речь идет уже о наблюдении черенковского излучения в вакууме [28]. Несомненно, создание исследовательских комплексов, объединяющих мощные фемтосекундные лазерные системы и электронные ускорители, открывает интереснейшие возможности исследований в фундаментальной физике!

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

(см. скан)

(см. скан)

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление