Динамика сильных полей световых импульсов из малого числа колебаний в диэлектрических средах

• Автор: Штумпф, Святослав Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 124 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Известные теоретические методы описания самовоздействия световых импульсов из малого числа колебаний

в диэлектрических средах

§1.1. Основные принципы построения уравнений динамики поля световых импульсов из малого числа колебаний в диэлектрических
средах

§1.2. Методы описания кубичной нелинейности поляризационного

отклика диэлектрических сред в поле сверхкоротких импульсов

§1.3. Методы описания плазменной нелинейности вещества в поле

сверхкоротких импульсов

§1.4. Ограничения известных теоретических методов при применении их к анализу самовоздействия в диэлектрических средах импульсов из
малого числа колебаний
Глава 2. Модель инерционного кубичного по полю поляризационного отклика диэлектрической среды электронной
природы
§2.1. Материальные уравнения диэлектрика, описывающие инерционность кубичного по полю отклика диэлектрической среды
электронной природы
§2.2. Уравнение динамики поля излучения, описывающее дисперсию коэффициента нелинейного показателя преломления диэлектрической
среды
§2.3. Уравнение динамики поля светового импульса в среде с дисперсией коэффициента нелинейного показателя преломления как обобщенное
уравнение днвамнкп его огибающей
Выводы
Глава 3. Модель плазменной нелинейности диэлектрической среды
в сильном поле световых импульсов из малого числа колебаний
§3.1. Материальные уравнения диэлектрика, описывающие инерционную плазменную нелинейность среды в сильном поле светового импульса из малого числа колебаний
§3.2. Уравнение динамики поля светового импульса из малого числа
колебаний в диэлектрической среде с плазменной нелинейностью
§3.3 Уравнение динамики поля светового импульса в среде с плазменной
нелинейностью как обобщение уравнения динамики его огибающей
Выводы
Глава 4. Аналитическое исследование самовоздействия импульсов из малого числа колебаний в среде с инерционной электронной
нелинейностью
§4.1. Нормировка уравнения динамики поля световых импульсов из .малого числа колебаний в средах с инерционной электронной
нелинейностью
§4.2 Оценка коэффициентов уравнения динамики поля излучения для
случая его распространения в кварцевом стекле
Выводы
Глава 5. Численное моделирование самовоздействия импульсов из малого числа колебаний в диэлектрических средах с инерционной
электронной нелинейностью
§5.1. Численная схема для моделирования самовоздействия импульсов из
малого числа колебаний в диэлектрических средах
§5.2. Результаты численного моделирования самовоздействия импульсов из малого числа колебаний в диэлектриках с дисперсией коэффициента
налинейного показателя преломления среды
§5.3. Результаты численного моделирования самовоздействия световых импульсов из малого числа колебаний в диэлектриках с плазменной
нелинейностью
§5.4. Сопоставление результатов численного моделирования и физического эксперимента по генерации терагерцового излучения при взаимодействии сонаправленных высокоинтенсивных фемтосекундных
импульсов разной центральной частоты
Выводы
Заключение
Литература

Введение
Актуальность работы
В последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в раз-вптпп лазеров, генерирующих фемтосекундные световые импульсы из малого числа колебаний. Интенсивность таких предельно коротких (по числу колебаний) импульсов (ПКИ) при фокусировке может лежать в тера- и петаваттном диапазоне (1012 -И015Вт/см2) при относительно небольшой общей энерпш импульса.
Понятие огибающей для ПКИ теряет свое физическое содержание, и спектр таких импульсов является очень широким. Поэтому при теоретическом изучении закономерностей их распространения в оптических средах применимость традиционного для нелинейной оптики метода медленно меняющейся огибающей, строго обоснованного для квазимо-нохроматических импульсов, становится дискутивной. В 1990-е годы появилось значительное число работ, в которых самовоздействие ПКИ рассматривалось на основе уравнений динамики не огибающей, а непосредственно электрического поля светового импульса. Однако к началу настоящей работы не были получены полевые уравнения, учитывающие инерционность основного малоинерционного механизма нелинейности диэлектрической среды - нерезонансного электронного. Соответственно, не было проанализировано влияние на характер самовоздействия ПКИ в среде дисперсии коэффициента нелинейного показателя преломления диэлектрика, обусловленной этой инерционностью.
Для ПКИ видимого и ближнего ИК диапазонов спектра интенсивность излучения, при которой за чрезвычайно короткое время прохождения импульса еще не происходит оптический пробой диэлектрической среды, может превышать 1013Вт/см2. В этой ситуации необходим анализ новых инерционных электронных механизмов нелинейности веще-

прозрачных средах с безынерционной нелинейностью световых импульсов с длительностью вплоть до одного колебания светового ПОЛЯ, для количественного анализа распространения интенсивных ПКИ метод медленно меняющейся огибающей все же неприменим. В частности, он не учитывает существенную в рассматриваемом диапазоне входных интенсивностей генерацию кратных нечетных гармоник, с недостаточной точностью описывает эволюцию спектров ПКИ, особенно в области аномальной групповой дисперсии среды, причем погрешность растет как при уменьшении длительности входного импульса, так и при увеличении его интенсивности.
Дополнительно, при распространении в веществе импульсов со сверхуширенными в область высоких частот временными спектрами, применение нерезонансного приближения уже может давать большую погрешность анализа. Экспериментально установлено, что в области высоких частот происходит существенное изменение нелинейных свойств многих оптических материалов, обуславливающее заметный рост их коэффициента нелинейного показателя преломления [74-76, 78-83]. Соответственно, модели, использующие нерезонансное приближение (такие, как (1.25)) нуждаются в расширении, позволяющем учесть зависимость нелинейного показателя преломления вещества от частоты падающего излучения.
Изучение явлений в области сверхвысоких интенсивностей оптического излучения (правая часть рис. 1-1) представляет собой самостоятельную обширнейшую научную область, некоторые подходы которой описаны в параграфе 1.3. Здесь следует отметить лишь, что акцентом исследования данных подходов являются процессы внутри вещества (расплывание волнового пакета электронов, истощение атомных состояний, дрейф электронов в магнитном поле), наибольший интерес представляет генерация гармоник высокого порядка, излучаемых при реком-бинащш свободных электронов, набравших значительную кинетиче-