Введение к работе
Актуальность работы
Предметом настоящей диссертационной работы является генерация гармоник высокого порядка (ГГВП) под действием интенсивных световых пучков атомами или ионами в атомарных газообразных средах (атомных пучках, струях или сильно разреженной плазме). При этом каждый атом излучает гармоники высокого порядка (ГВП) с нечетными номерами непосредственно под действием возбуждающего поля основной частоты и независимо от других атомов. Естественно, поля, излучаемые разными атомами, складываются когерентно. Формальным признаком, отличающим явление ГГВП от генерации гармоник низкого порядка, может служить наличие в спектре гармоник почти плоского участка ("плато"), заканчивающегося резкой высокочастотной границей. Как правило, плато выражено достаточно четко. Ниже, именно гармоники с частотами, лежащими в области плато или правее ее и называются ГВП, в отличие от гармоник низкого порядка — гармоник с частотами, предшествующими плато, или генерируемых до его появления. В отличие от генерации гармоник низкого порядка, генерация ГВП (появление плато) является существенно пороговым явлением, и тесно связано с надпороговой ионизацией атомов, хотя и не сводится к ней. Обязательным условием протекания этих явлений является превышение пондеромоторной энергии (средней энергии колебаний) свободного электрона в возбуждающем поле над энергией кванта этого поля (при Л = 1.0бмкм это соответствует интенсивности порядка 1013 Вт/см ). При достаточно высокой интенсивности возбуждающего излучения число гармоник в области плато может быть очень большим, их номера могут достигать трехзначных значений. Суммарное поле гармоник представляет собой сигнал, относительно слабо промодулированный по амплитуде и очень глубоко — по частоте.
Явление ГГВП является существенно квантовым, пороговым, нестационарным. Грубо можно рассматривать его как туннелирование электрона через потенциальный барьер с последующей излучателыюй рекомбинацией, протекающее на одном периоде лазерного поля с малой
вероятностью и потому повторяющееся на многих периодах, как почти периодический процесс. Оно было открыто в конце 80-х годов, вскоре после внедрения в экспериментальную практику источников мощных пико- и субпикосекундных импульсов (гигаваттного диапазона).
Генерация ГВП относится к кругу вопросов, связанных со взаимодействием атома или молекулы с электромагнитным полем, напряженность которого сравнима с напряженностью внутриатомного поля. Наблюдаемые в таких полях закономерности, как правило, не описываются теорией возмущений и отличны от закономерностей, наблюдаемых в более слабом поле. Это приводит к ряду интересных с фундаментальной точки зрения следствий. Например, при ГГВП эффективность процесса, в котором участвуют п фотонов, может слабо убывать с ростом номера п в некотором диапазоне номеров (это проявляется, в частности, в наличии плато); не только амплитуды, но и фазы гармоник зависят от амплитуды внешнего поля. Таким образом, исследования ГГВП представляют глубокий фундаментальный интерес.
С явлением ГГВП также связывают перспективы создания источников когерентного рентгеновского излучения, представляющих утилитарную ценность (область спектра ГВП, наблюдавшихся в экспериментах, простирается приблизительно до 2.7 нм). Пока широкому практическому использованию ГВП (в ряде экспериментов они уже использовались) препятствует малая эффективность генерации, обусловленная, в частности, трудностью реализации фазового синхронизма. Некоторые успехи на пути повышения эффективности уже достигнуты. Например, экспериментально реализованная эффективность генерации 21-ой гармоники титан-сапфирового лазера в аргоне составляет 10", 49-ой гармоники титан-сапфирового лазера в неоне - 10 . Кроме того, итогом десятилетних исследований является довольно высокий уровень понимания физики явления, позволяющий, в частности, намечать пути для повышения эффективности генерации. Это понимание базируется на результатах выполненных экспериментов, на численных решениях трехмерного уравнения Шредингера для одноэлектронного атома в сильном электромагнитном поле, на
результатах исследования многочисленных теоретических моделей явления, в основном, касающихся излучения ГВП одиночным атомом.
В последнее время много внимания уделяется экспериментальным и теоретическим исследованиям генерации ГВП в протяженных средах, в полихроматических полях, где возможно, в частности, обеспечение условий фазового синхронизма.
Специфика ГГВП в протяженной среде, существенно отличающая такую генерацию от генерации низких гармоник, связана с зависимостью амплитуд и фаз гармоник, генерируемых одиночным атомом, от интенсивности возбуждающих волн. Амплитуда и фаза гармоники одноатомного отклика тесно связаны с поведением фазы волновой функции фотоэлектрона. Достаточно корректный, и вместе с тем, не слишком трудоемкий расчет амплитуд и фаз гармоник, генерируемых коллективом атомов, стал возможным после создания аналитической квантово-механической теории явления и получения выражений (к сожалению, лишь в виде интегралов), позволяющих рассчитать комплексные амплитуды гармоник дипольного момента или его производных.
Цели работы
1. Развитие аналитической квантово-механической теории ГГВП одиночным
атомом или ионом в поле интенсивного лазерного излучения.
2. Исследование пространственной и временной структуры поля одиночной
гармоники и структуры суммарного поля гармоник.
3. Исследование путей реализации фазового синхронизма при ГГВП.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Развита приближенная квантово-механическая теория ГГВП одиночным атомом в поле интенсивного лазерного излучения. Получена аналитическая формула для оценки интенсивности плато в спектре гармоник.
-
Впервые проведен расчет спектра гармоники, генерируемой коротким лазерным импульсом и пространственной структуры поля гармоники, генерируемой ограниченным лазерным пучком. Дана трактовка полученных результатов в рамках полуклассической модели ГТВП.
-
Впервые проведен расчет пространственной и временной структуры высокочастотного поля, генерируемого атомами в поле ультракороткого (длительностью около двух оптических периодов) интенсивного лазерного импульса.
4. Предложено использование неколлинеарной схемы генерации для
выполнения условий фазового синхронизма при ГТВП. Проведен расчет
генерации ГВП в такой схеме.
5. Впервые проведен анализ внеосевой синхронной генерации ГВП в
протяженной среде. Выполнен расчет ГГВП в протяженной среде с учетом
самовоздействия лазерного излучения, дисперсии среды, поглощения
гармоники в среде.
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Предложен метод получения цуга аттосекундных рентгеновских импульсов
(АРИ) и одиночного АРИ.
-
Предложен метод повышения эффективности ГГВП за счет выполнения условий фазового синхронизма в неколлинеарной схеме генерации.
-
Показано, что в протяженных диспергирующих средах возможна синхронная
генерация внеосевых компонент гармоник высокого порядка.
4. Предложен метод повышения эффективности ГГВП за счет выполнения
условий внеосевого фазового синхронизма при генерации в
самоканалирующемся лазерном пучке.
Защищаемые положения
1. Гармоники высокого порядка с различными номерами обладают различной расходимостью, а при генерации в сходящемся пучке фокусируются на разных расстояниях от мишени. Эти отличия обусловлены, в основном, различиями в зависимостях фаз гармоник одноатомного отклика от интенсивности возбуждающего света.
2. Суммарное поле нескольких соседних гармоник в дальней зоне дифракции
представляет собой цуг аттосекундных импульсов. Совокупность этих гармоник может быть выделена из генерируемого спектра с помощью системы диафрагм.
3. Импульс гс-ой гармоники высокого порядка промодулирован по фазе
(чирпирован) и сдвинут по частоте относительно частоты псо, где со —
частота лазерного излучения. Чирп и смещение гармоники контролируются
длительностью и чирпом лазерного импульса.
4. При ГГВП в диспергирующей среде условие фазового синхронизма может
быть выполнено за счет использования схемы неколлинеарной генерации. В такой схеме наибольшая эффективность преобразования реализуется при использовании возбуждающих волн, интенсивности которых сильно (на один — два порядка) отличаются друг от друга.
5. В ограниченном лазерном пучке может происходить синхронная генерация
внеосевых компонент ГВП. При большой толщине генерирующего слоя эти компоненты могут вносить основной вклад в мощность гармоники. При этом структура спектра ГВП существенно отличается от спектра одноатомного отклика. В частности, в спектре ГВП возможно формирование двух плато.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях: 1. Конференция молодых ученых в рамках юбилейных мероприятий, посвященных семидесятилетию Р.В.Хохлова; 14-18 октября 1996г., Москва
-
Italian-Russian Symposium On Nonlinear Optics of Ultrashort Laser Pulses (ITARUS'97), November 29-December 3, 1997, Moscow, Russia.
-
XVI Международная Конференция по Когерентной и Нелинейной Оптике
(ICONO'98), 29 июня-3 июля 1998, Москва.
4. 7th International Workshop on Laser Physics (LPHYS'98), July 6-10, 1998, Berlin,
Germany,
5. XVI Конференция "Фундаментальная Атомная Спектроскопия", 8-П декабря
1998 г., Москва.
-
Italian-Russian Symposium On Nonlinear Optics of Ultrashort Laser Pulses (ITARUS'99), February 22-25,1999, Moscow, Russia.
-
8th International Workshop on Laser Physics (LPHYS'99), July 2-6, 1999, Budapest, Hungary.
Результаты работы изложены в 29 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации:
