Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 4, с. 194-197
© 2009 г. 25 февраля
Спектрально-временная структура сверхкоротких световых импульсов ультрафиолетового диапазона, генерируемых интенсивным лазерным излучением в атмосфере
И. В. Федотов, А. Б. Федотов, А. М. Желтиков Физический факультет, Международный лазерный центр МГУ им. М.В.Ломоносова, 119992 Москва, Россия
Поступила в редакцию 11 января 2009 г.
Выполнены прямые измерения спектрально-временной структуры сверхкоротких импульсов ультрафиолетового (УФ) излучения, формируемых в результате генерации третьей гармоники интенсивным излучением титан-сапфирового лазера в атмосфере. Экспериментально реализованная методика позволяет определить длительность и чирп импульсов УФ излучения, а также измерить электронную плотность создаваемой лазерным излучением плазмы. Ширина спектра третьей гармоники, генерируемой лазерными импульсами с начальной длительностью 45 фс в условиях выполненных экспериментов, соответствует длительности спектрально ограниченного импульса УФ излучения около 30 фс.
РАСБ: 42.65.Wi, 42.81.Qb
Выполненные в последние годы эксперименты по распространению мощных сверхкоротких лазерных импульсов в атмосфере и других газовых средах позволили обнаружить новые режимы нелинейно-оптического преобразования световых полей [1,2]. Результаты этих исследований сообщают мощный импульс развитию базовых представлений нелинейной оптической физики [3,4] и представляют значительный интерес для практических приложений, включая новые методы генерации мощных предельно коротких световых импульсов [5], дистанционного зондирования атмосферы [6] и передачи оптических сигналов на большие расстояния [1,2].
Распространение мощных сверхкоротких импульсов в газовых средах сопровождается существенным уширением спектра лазерного излучения [1,2]. Это явление, часто называемое генерацией суперконтинуума [7,8], широко исследуется в настоящее время в связи с возможностями формирования мощных сверхкоротких импульсов с длительностями порядка периода оптического поля [9,10]. Сверхуширение спектра лазерного излучения в газовой среде во многих случаях сопровождается возникновением сигнала в коротковолновой области спектра за счет процесса генерации третьей гармоники (ГТГ) излучения накачки [11-13]. Этот эффект открывает новые возможности генерации мощного коротковолнового излучения, включая формирование высокоинтенсивных предельно коротких, фемто- и субфемтосекунд-ных импульсов ультрафиолетового (УФ) диапазона [14]. Основные свойства и закономерности явления ГТГ при взаимодействии мощных лазерных импуль-
сов с газовыми средами, однако, исследованы и поняты в значительно меньшей степени, чем эффект генерации суперконтинуума, из-за значительных фазовых и групповых расстроек полей накачки и третьей гармоники, ограничивающих эффективность ГТГ, а также из-за трудностей измерения спектрально-временной структуры сверхкоротких импульсов УФ излучения.
В настоящей работе предложена и экспериментально реализована методика прямого измерения спектрально-временной структуры поля УФ излучения, позволяющая определить длительность и чирп импульсов третьей гармоники, а также измерить электронную плотность плазмы, создаваемой лазерным излучением. С помощью разработанной методики найдены режимы высокоэффективной генерации сверхкоротких импульсов когерентного УФ излучения интенсивным излучением титан-сапфирового лазера в атмосфере. Показано, что уширение спектра излучения накачки в условиях нелинейно-оптического взаимодействия с атмосферой позволяет формировать импульсы УФ излучения, длительность которых существенно меньше начальной длительности импульсов накачки.
Схема генерации и спектрально-временного анализа сверхкоротких импульсов УФ излучения, формируемых за счет процесса ГТГ при распространении высокоинтенсивных лазерных импульсов в атмосфере, представлена на рис.1. В качестве источника излучения накачки используется фемтосекунд-ная лазерная система в составе задающего генератора сверхкоротких импульсов на титанате сапфира, нака-
Рис.1. Схема экспериментальной установки
чиваемого излучением второй гармоники лазера на гранате с неодимом, а также регенеративного и многопроходного усилителей. Фемтосекундная лазерная система формирует импульсы излучения с центральной длиной волны 818 нм длительностью 45 фс с энергией до 1 мДж при частоте повторения 50 Гц. Спектр импульсов излучения накачки на выходе лазерной системы показан штриховой линией на рис.2.
^ 1
СЛ
г.
g 0.1
"5
н
о
U
&
00
0.01 - - - — 400 600 800 1000 1200
Frequency (THz)
Рис.2. Спектр лазерного излучения (штриховая линия) и спектр излучения, испытавшего нелинейно-оптическое преобразование в сфокусированном пучке в атмосфере. На врезке представлен спектр сигнала третьей гармоники после спектральной и пространственной фильтрации
Генерируемое лазерной системой излучение делится на два пучка с примерно равными энергиями (рис.1) и пиковой мощностью световых импульсов, установленной на уровне Р и 1.7РСГ, где Рсг - критическая мощность самофокусировки в атмосферном воздухе. Первый пучок предназначен для генерации суперконтинуума и третьей гармоники. Второй пучок используется в качестве опорного поля для анали-
за спектрально-временной структуры импульсов УФ излучения, генерируемого в результате взаимодействия первого пучка с атмосферой.
Излучение первого пучка, сфокусированное с помощью линзы с фокусным расстоянием 10 см, приводит к частичной ионизации воздуха вблизи области фокуса и испытывает значительное спектральное уширение (рис.2) в процессе сложной пространственно-временной динамики. Как показывает теоретическое моделирование, основанное на решении трехмерного уравнения эволюции светового поля в ионизируемом газе [15], наиболее важную роль в пространственно-временном преобразовании поля в условиях описываемых экспериментов играют эффекты кубичной по полю нелинейности газа, включающие фазовую самомодуляцию, самофокусировку и укручение огибающей импульса, а также явления, связанные с ионизационной нелинейностью газа.
В результате совместного действия ионизационной нелинейности, пространственного самовоздействия, а также укручения огибающей импульса [15] спектр излучения суперконтинуума сдвинут в высокочастотную область относительно спектра излучения накачки (рис.2). Ширина спектра излучения суперконтинуума, измеренная по уровню 10%-ной максимальной спектральной интенсивности, составляет 90ТГц, что в 4.5 раза больше начальной ширины спектра излучения накачки, определенной на том же уровне спектральной интенсивности. Излучение третьей гармоники наблюдается в спектре испытавшего нелинейно-оптическое преобразование излучения в виде изолированного сигнала с максимумом на длине волны 269 нм (см. врезку на рис.2). Ширина спектра сигнала третьей гармоники (определенная по уровню 50%-ного максимума спектральной интенсивности) в 1.5 раза больше начальной ширины спектра излучения накачки и соответствует спектрально-ограниченному импульсу длительностью около 30 фс. Максимум спектра сигнала третьей гармоники составляет 23% от максимума видимой части спектра (рис.2). При этом высокочастотная часть спектра, соответствующая излучению с длиной волны короче 280 нм, содержит более 5% полной энергии излучения после нелинейно-оптического взаимодействия.
Для анализа спектрально-временной структуры УФ поля коротковолновое излучение, генерируемое при взаимодействии лазерных импульсов с атмосферой, отделялось от видимой части излучения с помощью набора спектральных и пространственных фильтров. Выделенное таким образом коротковол-
196
И. В. Федотов, А. Б. Федотов, А. М. Желтиков
Wavelength, nm
270
265-
260
50 100 150 200 250 200 350
Delay, fs
20.00
1156
2292
3428
4564
5700
Рис.3. Карта спектрально-временной структуры УФ излучения, составленная из спектров УФ сигнала, измеренных для различных времен задержки УФ сигнала
новое излучение рассеивалось на нелинейной линзе, индуцируемой опорным излучением второго пучка титан-сапфирового лазера (рис.1). При точном временном совмещении импульсов УФ излучения и лазерного пучка наводимое мощным лазерным излучением изменение показателя преломления приводило к отклонению УФ пучка. На установленном за диафрагмой и спектрометром УФ детекторе при этом наблюдался минимум сигнала.
На рис.3 представлена характерная карта спектрально-временной структуры генерируемого при описанных выше условиях УФ излучения, составленная из спектров УФ сигнала, измеренных для различных времен задержки УФ сигнала т^. На рис.4 представлены характерные спектры УФ сигнала, измеренные для трех различных значений Trf. При времени задержки УФ сигнала, выбранной за начало отсчета т<г, УФ излучение проходит через область взаимодействия значительно раньше опорного импульса. Опорный импульс при этом не оказывает воздействия на УФ сигнал, спектр которого остается неизменным (спектр 1 на рис.4). При Td = 150 фс высокочастотные компоненты достигают области взаимодействия одновременно с опорным излучением, испытывая рассеяние на модуляции показателя преломления, индуцируемой опорным сигналом (спектр 2 на рис.4). При т<г = 200фс уже низкочастотные компоненты испытывают наиболее
Wavelength (nm)
Рис.4. Спектры УФ сигнала, измеренные для трех различных значений времени задержки: та = 0 (1), 150фс (2), 200 фс (3)
эффективное взаимодействие с опорным сигналом (спектр 3 на рис.4).
Как следует из представленных на рис.3 и 4 результатов, высокочастотные компоненты УФ сигнала достигают области наибольшего взаимодействия с опорным лазерным пучком раньше низкочастотных составляющих УФ сигнала. Такой характер чир-па поля третьей гармоники объясняется аномальной дисперсией плазмы, индуцируемой мощным лазерным излучением. Действительно, пусть для пары
близких спектральных компонент А и А + ДА условие наиболее эффективного взаимодействия с опорным пучком обеспечивается при временах задержки т и т + Дт. Тогда, записывая разность групповых скоростей этих двух спектральных компонент в виде 1 /и(ш + Аш) - 1 /и(ш) и к2Аш, где к2 = д2к/дш2, к = пи)¡с, и
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.