Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время большинство новых экспериментальных результатов в области лазерной физики получают на основе использования сфокусированных в пространстве импульсов. В то же время ряд типов лазеров приближается по своим параметрам к физическому пределу по энергии, снимаемой в одном импульсе. Естественный резерв для дальнейшего увеличения пиковой интенсивности лазерных импульсов состоит одновременно в пространственной фокусировке и предельной временной компрессии импульсов. При этом длина импульса становится соизмеримой с длиной волны, и теория квазистационарных гауссовых волновых пучков для его описания не применима. Соответствующий раздел оформился в самостоятельное направление оптики фемто- и аттосекундных лазерных импульсов. Новые экспериментальные возможности делают необходимым развитие адекватной теории дифракции и фокусировки таких ультракоротких импульсов.
Теоретически было предсказано и экспериментально продемонстрировано, что для ультракоротких импульсов, содержащих несколько периодов колебаний электромагнитной волны, форма импульса, фаза, а также форма переднего фронта волны оказывают определяющее влияние на протекание таких явлений, как ионизация среды, процессы формирования пучков ускоренных электронов, генерацию высоких гармоник рентгеновского диапазона и другие явления. Показано, что описание таких коротких импульсов уже не может быть корректно построено на основе задания световой волны с помощью несущей и огибающей или с использованием метода медленно меняющихся амплитуд.
В последнее время развит раздел математики, связанный с исследованием локальных особенностей функций на основании всплесков (Wavelets). Разработанный аппарат успешно применен к различным задачам описания локально неоднородных процессов, анализу временных рядов и другим проблемам. В задачах распространения волн и их взаимодействия с атомами применение всплесков находится в начальной стадии. В целом теория ультракоротких импульсов нуждается в серьезном развитии для адекватного описания имеющихся и планируемых экспериментов.
В связи с этим представленная диссертация «Особенности распространения ультракоротких лазерных импульсов и их воздействие на простые квантовые системы» представляется актуальной для исследования нового класса явлений в области взаимодействия излучения с веществом.
Цель работы
Целью настоящей работы является изучение особенностей распространения и воздействия ультракоротких импульсов с широким применением теории всплесков: решение некоторых из основных задач формирования и распространения ультракоротких импульсов, рассмотрение ионизации, линейного и нелинейного рассеяния лазерного излучения.
Для реализации этой цели в работе рассматриваются следующие задачи:
Дифракция и фокусировка ультракоротких импульсов на основе нестационарного интеграла Кирхгофа-Зоммерфельда и применение теории всплесков. Построение функции Грина для задачи о дифракции и фокусировке импульса на круглой диафрагме.
Описание распространения ультракоротких импульсов в волноводе прямоугольного сечения с проводящими стенками с использованием векторов Герца и теории всплесков.
Простые квантовые задачи взаимодействия атомных систем с ультракороткими импульсами на основе теории всплесков при описании поля излучения. К ним относятся: описание особенности фотоотрыва электронов от иона Н~ ультракоротким импульсом лазерного излучения; рассеяние линейного ультракороткого лазерного импульса на простых системах; полуклассическое описание генерации высоких частот в процессе надбарьерной ионизации атома.
Радиационный распад квантовой системы из основного состояния в переменном электромагнитном поле для оценки вклада этого процесса в наблюдаемое распределение интенсивностей рассеянного излучения.
Научная новизна работы определяется как выбором объекта исследования, поскольку физика формирования ультракоротких импульсов и их воздействие на атомные системы изучена ещё недостаточно, так и широко используемым в работе аппаратом вейвлет-преобразований.
Научная и практическая значимость работы
Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что на основе развитых в ней методов появилась возможность эффективно рассчитывать распространение ультракоротких импульсов при наличии пассивных систем, таких как диафрагмы, линзы, зеркала и волноводы. Результаты, полученные при изучении взаимодействия ультракоротких импульсов с простыми квантовыми системами, позволяют обобщить и видоизменить известные ранее формулы, описывающие линейные по интенсивности процессы поглощения и рассеяния света, а также дают эффективные методы расчета трансформации ультракоротких импульсов со сверхатомными напряженностями поля.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций обоснована:
строгим использованием положений теоретической и математической физики и современного математического аппарата компьютерного моделирования;
сочетанием аналитических и численных методов исследования и сравнением полученных результатов с результатами других работ.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Метод решения задачи дифракции ультракороткого импульса на прямоугольном и круглом отверстиях и его фокусировки с использованием теории всплесков. Нестационарный принцип Гюйгенса-Френеля.
Решение задачи о распространении ультракороткого импульса в прямоугольном зеркальном волноводе и искажении его спектра.
Результаты решения задачи о рассеянии ультракороткого импульса одно-электронными квантовыми системами в линейном режиме.
Результаты решения задачи о рассеянии ультракороткого импульса одно-электронными квантовыми системами в сильно нелинейном режиме.
Личный вклад соискателя
Основные результаты по теме диссертации получены лично автором и опубликованы в соавторстве с научным руководителем Головинским П.А.
В опубликованных работах автору принадлежит конкретизация решения поставленных научным руководителем задач, компьютерное моделирование и анализ полученных результатов, а также интерпретация полученных результатов.
Апробация результатов диссертации
Основные положения, выводы и результаты исследования докладывались и обсуждались на
XVI Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO) (Москва, РАН, 1998);
16 1С АР, Canada, Windsor 1998;
XVI Фундаментальная атомная спектроскопия, Москва, Звенигород, 1999
7-я Всероссийская научная конференция студентов физиков (ВНКСФ-7), Санкт-Петербург, 2001;
Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO-2005) (Санкт-Петербург, 2005)
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 работах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах, 1 - в сборнике научных статей, 2 - в материалах международных конференций и 3 - тезисы докладов на всероссийских и международных конференциях в гг. Москва и Санкт-Петербург.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации составляет 130 страниц, включает 32 рисунка, 1 таблицу и список используемых источников из 141 наименования.
