Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 11, с. 636-640
© 2009 г. 10 июня
Прямое наблюдение пространственно-временной трансформации фемтосекундного лазерного импульса в плавленом кварце
И. В. Блонский, В. Н. К а дан11, О. И. Шпотюк*, И. Н. Дмитрук, И.А.Павлов
Институт физики HAH Украины, 03028 Киев, Украина
* Научно-производственное предприятие "Карат", 79031 Львов, Украина Поступила в редакцию 15 апреля 2009 г.
Методом микроскопии фемтосекундной времяразрешающей оптической поляриграфии исследована трансформация фемтосекундного лазерного импульса, распространяющегося в плавленом кварце до и после его перехода в режим фи ламентации. Зарегистрирована пространственная периодичность светового поля вдоль и поперек оси распространения, природа которой связывается с интерференцией конической и плоской компонент волнового пакета филамента. Следствием продольной трансформации профиля импульса являются "сверхсветовые" перемещения наблюдаемого максимума интенсивности филамента.
PACS: 42.65.Re, 42.65.Jx, 52.38.Dx
Исследование распространения фемтосекундных лазерных импульсов в различных средах от газов до твердых тел сопровождается рядом новых явлений, таких, например, как филаментация, генерация квазибелого континуума и терагерцового излучения, представляющих интерес с точки зрения как фундаментальной науки, так и потенциальных приложений. Из них наиболее впечатляющим является филаментация, то есть расслоение сплошного пучка на дискретные "волокна". Она возникает, если мощность излучения превышает определенный для данной среды порог самофокусировки Рсг [1]. Для плавленого кварца при длине волны излучения А = 780 нм Рсг = 1.9 МВт [2] (это соответствует энергии импульса 0.33 мкДж при длительности 150 фс). Как известно [3], со "сверхсветовым" движением фронта ионизации в филаменте, в частности, связывают природу генерации терагерцового излучения. "Сверхсветовое" перемещение максимума интенсивности в филаменте предсказано теоретически в работах [4-6], а его единственная непрямая экспериментальная регистрация в филаментах в воздухе осуществлена в работе [7]. Однако, насколько нам известно, прямые наблюдения сверхсветовых перемещений в спонтанно сформированных световых филаментах, в частности, в твердых телах, до сих пор отсутствуют. Сразу отметим, что речь здесь не идет о нарушении принципа причинности специальной теории относительности (СТО), а только лишь об интерференционных эффектах перемещения максимума волнового пакета со скоростью, превышающей скорость света в среде.
В настоящей работе мы исследовали пространственно-временную динамику распространения фемтосекундного лазерного импульса в плавленом кварце, используя фемтосекундную времяразрешающую оптическую поляриграфию (ФВОП) [8,9]. Основное внимание было уделено скорости перемещения точки максимальной интенсивности филамента и пространственной периодичности его структуры.
Метод ФВОП, регистрирующий в скрещенных поляризаторах мгновенную (~1фс) картину кер-ровского двупреломления, наводимую электрическим полем световой волны, позволяет "увидеть" пространственно-временную картину распространения светового импульса. Схема эксперимента показана на рис.1. Регенеративный усилитель 1 соз-
14 12
zb—
10
О п
' П'11
7
■=■5
X
13
V
^e-mail: kaclanCiiop.kiev.ua
Рис.1. Схема экспериментальной установки: 1 - фем-тосекундный регенеративный усилитель Legend F-1K-НЕ; 2 - расщепляющее зеркало; 3 - зеркала; 4 - линия задержки; 5 - пластинка А/2; 6 - призма Глана; 7 -диафрагма; 8, 9 - объективы микроскопа 10x0.25NA; 10 - исследуемый образец; 11, 12 - поляризаторы; 13 -ослабляющий фильтр; 14 - ПЗС-камера
дает последовательность горизонтально поляризованных импульсов (2.5мДж, 150фс, 780нм, 1кГц). Вертикально поляризованный импульс возбуждения необходимой энергии создается с помощью полуволновой фазовой пластинки 5 и призмы Глана 6. Затем из него с помощью регулируемой диафрагмы 7 вырезается узкий луч, направляемый в микроскопический объектив 8. Образец был изготовлен из плавленого кварца марки КУ-1 в виде параллелепипеда с полированными гранями с размерами 3 х 3 х 50 мм. Точка фокуса находится внутри исследуемого образца на глубине 1.5 мм от передней грани, через которую осуществляется возбуждение, и на глубине 0.3 мм от боковой грани, через которую производится регистрация. Образец 10 устанавливался на трех-координатном столике и во время измерений перемещался по вертикали вдоль оси Z со скоростью 50мкм/с. Диаметр диафрагмы 1.8 мм и энергия импульса возбуждения 2.9мкДж были выбраны таким образом, чтобы внутри образца образовался одиночный филамент. Изображение этого филамента проецировалось с помощью микроскопического объектива 9 на матрицу монохромной ПЗС камеры 14 размером 1200 х 1600 пикселов. Пространственное разрешение регистрируемого изображения составляло 2 мкм. Регистрация осуществлялась в свете зондирующего импульса, задержанного относительно импульса возбуждения с помощью линии задержки 4, поляризованного под углом 45° к вертикали с помощью поляризатора 11. Ось поляризатора 12 устанавливалась в скрещенное положение относительно поляризатора 11, минимизируя пропускание зондирующего импульса. При малых фазовых сдвигах, вносимых кер-ровским изменением показателя преломления, и при условии Jpump » Iprobe, где Jpump - интенсивность пучка возбуждения, а 1р10Ъе интенсивность зондирующего пучка, а также при однородных и непрерывных взаимодействующих пучках интенсивность сигнала ФВОП Jftopi согласно [10], описывается как Jftop = w2d2n|JpUmpJpr0be/Aprobe, где d- длина взаимодействия зондирующего и возбуждающего пучков, a Aprobe длина волны зондирующего излучения. В [11] приведено более точное выражение для изображения ФВОП с учетом пространственно-временной неоднородности взаимодействующих пучков. Полный анализ изображений ФВОП в соответствии с моделью [11] не является целью настоящей работы. Тем не менее, интерпретируя изображения ФВОП, надо учитывать следующее: 1) ненулевая длительность зондирующего импульса приводит к размытию изображения объекта, движущегося вдоль оси X, подобно слишком большой выдержке в обычной фотографии, ограни-
чивая, тем самым, временное разрешение установки 150фс или 30 мкм по оси X); 2) картину распре-
т г1/2
деления ^ритр лучше описывает ^рТОр-
Мы зарегистрировали 33 изображения ФВОП с шагом задержки т = 0.1 пс, начиная с т = 0 и заканчивая т = 3.2 пс. За это время импульс проходит в образце 640 мкм. На рис.2 представлены 15 после-
т, ps T, s
0.2 1.0
0.4 1.0
0.6 1.0
0.8 0.2
1.0 0.2
1.2 0.2
1.4 0.5
1.6 0.5
1.8 0.5
2.0 0.5
2.2 0.5
2.4 0.5
2.6 0.5
2.8 0.5
3.0 0.5
Рис.2. Последовательные изображения ФВОП при возрастающей задержке. Отображаемый диапазон X неизменен в каждой группе из пяти фотографий
довательных негативных изображений ФВОП с шагом задержки 0.2 пс, начиная с т = 0.2 пс и заканчивая т = 3.0 пс. Величины задержки т и экспозиции Т указаны справа от соответствующих фрагментов рисунка. Импульс распространяется слева направо вдоль оси X. При задержках 0.2 и 0.4 пс филамент еще не сформирован. При т = 0.2 пс полная ширина на половине высоты (ПШПВ) поперечного профиля составляет 12 мкм, а продольного - 46 мкм. В предположении гауссовского профиля лазерного импульса и с учетом растяжения изображения последняя величина соответствует длительности импульса 150 фс. С ростом т диаметр импульса уменьшается за счет самофокусировки и при т = 0.6 пс происходит частичный переход передней части импульса в филаменти-рованный режим с ПШПВ Змкм, тогда как задняя
638
И. В. Блонский, В. Н. Кадан, О. И. Шпотюк
часть имеет ПШПВ 8мкм. Переход в филаментиро-ванный режим сопровождается удлинением продольного профиля импульса, вызванным, вероятно, его расщеплением на два импульса, которое, однако, не разрешается экспериментальной установкой.
Проанализируем эволюцию формы сигнала ФВОП на основе представленных на рис.3 профилей ин-
0 50 100 150 0 10 20 30
X, ц Z, Ц
Рис.3. Профили интенсивности сигнала ФВОП: (а) -продольные; (Ь) - поперечные. Значения задержки в пикосекундах указаны для каждого фрагмента
тенсивности нормированной амплитуды при различных т. Продольные профили, соответствующие узкой области выделения вдоль оси филамента шириной 2мкм, показаны совместно с соответствующими изображениями ФВОП. Поперечные профили были взяты в положении X, соответствующем максимуму интенсивности филамента, причем ширина выделения составляла Юмкм. Сигнал усреднялся вдоль оси (а) и X (Ь) по ширине выделенной области. Зависимость амплитуды сигнала ФВОП на оси филамента от т представлена на рис.4а.
Из рис.За видно, что продольно симметричный профиль, характерный для нефиламентированного импульса (т < 0.5пс), начиная с т — 0.6пс становится асимметричным. В дальнейшем положение его максимума уже не соответствует постоянной скорости распространения, совершая несколько "скачков" (г = 0.7; 1.0пс), которые затем сменяются замедлен-
ным перемещением. Зависимость скорости перемещения максимума интенсивности импульса V(r) показана на рис.4Ь. Здесь V(r) вычислялось как разность положений максимума при г и г — 0.1 пс, поделенная на А т = 0.1 пс. Из-за наличия шумовой компоненты сигнала ФВОП измеренное положение максимумов профилей несколько изменялось при варьировании ширины и положения выделенной области. Измерив положения максимумов профилей при изменении ширины выделения от 5 до 1 мкм, мы оценили величину экспериментальной ошибки как ±30 мкм/пс.
Средняя скорость перемещения V = 197 мкм/пс также показана пунктирной линией. При т = 0.7, 1.0, 1.3, 1.9 и 2.3 пс наблюдаются скорости перемещения максимума импульса V = 340, 300, 250, 240 и 260 мкм/пс, соответственно, превышающие величину с/п = 207 мкм/пс для плавленого кварца. И наоборот, при г = 0.8, 0.9 и 1.8 пс V = 107, 97 и 127 мкм/пс, соответственно. Лишь в одной точке, т = 0.7 пс, скорость V = 340 мкм/пс превосходит скорость света в вакууме.
Наблюдаемые явления могут быть объяснены временным расщеплением импульса возбуждения на два и различным поведением во времени их амплитуд. К сожалению, временное разреше
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.