EN

2013: Световые пули и спектр суперконтинуума фемтосекундного филамента

2013-light-bullet.jpg

Физики МГУ предсказали и совместно с коллегами из Института спектроскопии РАН впервые зарегистрировали в фемтосекундном филаменте световые пули с высокой пространственно-временной локализацией светового поля и их частотно-угловой спектр. [Optics Letters, 38 (1), 16, (2013), Laser Physics Letters 10, 105401 (2013), Квантовая электроника, 43, 326, (2013)]. 

Получение импульсов сверхкороткой длительности и генерация широкополосного излучения относятся к актуальным проблемам современной оптики, связанным с развитием систем передачи информации, широкополосной спектроскопии, медицинской диагностики и других. Использование дисперсионных свойств сред для управления пространственно-временным распределением интенсивности мощного фемтосекундного импульса и его спектральными параметрами в процессе распространения представляет большой интерес для фундаментальных и прикладных аспектов лазерной физики и нелинейной оптики. Наибольший интерес вызывает возможность формирования локализованного в пространстве и времени высокоинтенсивного волнового пакета, обладающего свойствами солитона. Протяженный филамент, создаваемый в объеме прозрачной среды фемтосекундным лазерным импульсом, является самоогранизующейся системой, нелинейные процессы в которой подобны процессам в оптических волокнах, фотонных кристаллах и других направляющих структурах. Образование солитонов в нелинейных оптических структурах с оптимальным законом модовой дисперсии и формирование световых пуль при филаментации фемтосекундного излучения в объеме прозрачного диэлектрика имеют общие закономерности. Узкий филамент с высокой плотностью мощности светового поля формируется в результате динамического баланса керровской самофокусировки в среде и плазменной дефокусировки излучения в наведенной лазерной плазме. При филаментации в условиях аномальной дисперсии групповой скорости одновременно с пространственным сжатием волнового пакета происходит его компрессия во времени. Световую пулю, образующуюся в результате пространственно-временной компрессии фемтосекундного излучения в филаменте, можно рассматривать, как обобщение временного солитона в направляющей структуре на пространство размерности 3D+1 в объеме прозрачного диэлектрика. Физики МГУ на основе численного моделирования предсказали возможность образования последовательности световых пуль – микронных областей с высокой плотностью мощности при филаментации фемтосекундного лазерного импульса на длине волны в области аномальной дисперсии групповой скорости – и установили закономерности их формирования. Пиковая интенсивность светового поля в световой пуле на длине волны 1800 нм достигает ~5х1013 Вт/см2, ее длительность составляет около ~10 фс, а радиус ~10 мкм.  

В экспериментах, выполненных в Институте спектроскопии РАН в развитие проведенных исследований, впервые зарегистрированы световые пули при филаментации в плавленом кварце фемтосекундного лазерного импульса на длине волны 1800 нм. На основе измерений автокорреляционной функции световой пули минимальная длительность световой пули достигла 13.5 фс, что составляет около двух осцилляций светового поля. 

Возникновение «световых пуль» непосредственно связано с уширением частотного спектра импульса в филаменте. В нашей работе предсказано и экспериментально исследовано формирование изолированного антистоксового крыла в видимой области спектра суперконтинуума световой пули импульса на длине волны в ближнем ИК диапазоне [Optics Letters, 38 (1), 16, (2013), Квантовая электроника, 43, 326, (2013). Образование световой пули с высокой плотностью энергии сопровождается генерацией лазерной плазмы, и, как следствие этого, резкой дефокусировкой излучения и формированием ударного фронта (резкого спада интенсивности) на ее хвосте. Фазовая самомодуляция светового поля, вызванная временным градиентом интенсивности, приводит к уширению частотного спектра суперконтинуума в антистоксову область. Поэтому образование каждой световой пули сопровождается “выбросом” коротковолновых компонент в суперконтинуум, спектр которого становится асимметричным. В результате деструктивной интерференции широкополосного излучения суперконтинуума летящей световой пули, в ее спектре формируется широкий минимум, отделяющий видимую область от ИК излучения действующего импульса. 

При спектроскопических измерениях в Центре коллективного пользования Института спектроскопии РАН использовались ИК коррелометр ASF 20 и ИК спектрометр ASP-IRHS Российской фирмы «Авеста-Проект».