описание

Данный проект посвящен тематике сокращения длительности световых импульсов вплоть до длительностей в половину цикла колебаний, проблеме их получения и взаимодействия с веществом. Эти вопросы актуальны с момента появления первых лазеров и по настоящий момент [J. C. Diels, W. Rudolph, “Ultrashort laser pulse phenomena”. Elsevier, 2006; Keller U. (2003). Recent developments in compact ultrafast lasers. Nature, 424(6950), 831-838; U. Keller, “Ultrafast solid-state laser oscillators: a success story for the last 20 years with no end in sight”, Appl. Phys. B 100, 15 (2010); Krausz F., Ivanov M. (2009). “Attosecond physics”, Reviews of modern physics, 81(1), 163; Крюков П.Г., "Непрерывные фемтосекундные лазеры" УФН 183 897–916 (2013)]. На сегодняшний день удалось получить импульсы с длительности порядка периода колебаний световой волны фемто- и аттосекундного диапазона [Krausz F., Ivanov M. (2009). “Attosecond physics”, Reviews of modern physics, 81(1), 163; Calegari, F., Sansone, G., Stagira, S., Vozzi, C., & Nisoli, M. (2016). Advances in attosecond science. Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 49(6), 062001; Li, Jie, et al. "Attosecond science based on high harmonic generation from gases and solids." Nature Communications 11.1 (2020): 1-13]. Аттосекундные импульсы получаются за счет метода генерации гармоник высокого порядка и его различных модификаций, что требует крупногоабаритных и сложных установок. Эти импульсы, несмотря на малую длительность, все же являются биполярными - вектор напряженности электрического поля много раз меняет знак на противоположный за время действия импульсов и импульсы обладают нулевой электрической площадью.
Пределом возможного сокращения длительности служит генерация уже субцикловых и униполярных импульсов излучения, у которых имеется значительный одиночный всплеск напряженности электрического поля, и она, в отличие от биполярных импульсов, не меняет направление в течение всего импульса. Получение таких импульсов на практике является очень сложной экспериментальной задачей. На сегодняшний день участникам проекта известно только две экспериментальные работы, в которых такие субцикловые квазиунипоярные импульсы были получены экспериментально в оптическом и прилегающем диапазонах за счет Фурье-синтеза различных частей широкополосного суперконтинуума [M.T. Hassan et al. “Optical attosecond pulses and tracking the nonlinear response of bound electrons”, Nature 530, 66 (2016); G.M. Rossi et al. “Sub-cycle millijoule-level parametric waveform synthesizer for attosecond science”, Nature Photon. 14, 629 (2020)]. Однако и эти методы требуют крупногабаритных установок.
Преимущества использования униполярных импульсов для эффективного и сверхбыстрого управления квантовыми системами, голографической записи и ускорения заряженных частиц, по сравнению с обычными биполярными были показаны в работах участников проекта, см. недавний обзор [Р. М. Архипов, М. В. Архипов, Н. Н. Розанов, “Униполярный свет: существование, получение, распространение, воздействие на микрообъекты”, Квантовая электроника, 50:9 (2020), 801–815] (оттиск обзора приложен к проекту). Но на сегодняшний день отсутствуют компактные и высокоэффективные источники субцикловых и одноцикловых ПКИ. А проведенные ранние исследования способов их получения и воздействия на микрообъекты привели к постановке новых проблем, которые кратко были описаны выше (и решение которых требует создания научного коллектива). В частности, все предыдущие исследования были выполнены на основе решения уравнения Шредингера в приближении слабого поля и при решении уравнений Максвелла-Блоха в малоуровневой модели двух- и трехуровневой среды. Для более детального анализа, конечно же, необходимо проводить численное решение уравнения Шредингера с учетом всех уровней среды.
Т.о., поиск оптимальных и высокоэффективных способов получения субцикловых и униполярных ПКИ и детальный анализ их взаимодейсвия с веществом является безусловно актуальной проблемой.
В данном проекте с учетом сделанных выше замечаний предлагается продолжить начатые ранее исследования по возможности генерации ПКИ в компактных когерентных оптических системах, таких как лазеры с ультракоротким резонатором за счет режима КСМ [Р. М. Архипов, М. В. Архипов, А. А. Шимко, А. В. Пахомов, Н. Н. Розанов, “Предельно короткие оптические импульсы и их генерация в резонансных средах (Миниобзор)”, Письма в ЖЭТФ, 110:1 (2019), 9–20]. И начать изучение возможностей получения субцикловых импульсов за счет сверхизлучения импульса остановленной поляризации в протяженных средах, cм. недавний обзор участников проекта [Р. М. Архипов, М. В. Архипов, А. В. Пахомов, М. О. Жукова, А. Н. Цыпкин, Н. Н. Розанов, “Генерация предельно коротких аттосекундных и терагерцовых импульсов на основе коллективного спонтанного излучения тонкой резонансной среды (Миниобзор)”, Письма в ЖЭТФ, 113:4 (2021), 237–247]. Также планируется показать возможность эффективного воздействия на микрообъекты и ионизации атомов с помощью униполярных импульсов на примере водородоподобных атомов и полупроводниковых наноструктур уже за счет численного решения временного уравнения Шредингера без указанных выше малоуровневых приближений.

Разбираемые выше задачи обладают следующей научной новизной.
- Как уже упоминалось на сегодняшний день фактически отсутствуют компактные источники одноцикловых и субцикловых импульсов. В данном проекте будет найдены “прямые рецепты” получения таких импульсов с ТГц частотой повторения в компактных лазерных источниках. Они будут получены на основе применения правил подобия для лазеров к результатам численного моделирования. Пример такого подхода дан в работе участников проекта [R. Arkhipov et al. “Stable coherent mode-locking based on π pulse formation in single-section lasers”, Scientific Reports 11 (1), 1-13 (2021)].
- В ходе экспериментального исследования режима КСМ в титан-сапфировом лазере с когерентно поглощающей ячейкой (пары рубидия, цезия) неожиданно удалось наблюдать экстремальные события (волны-убийцы, rogue waves). Эти эксперименты являются первым наблюдением экстремальных событий в системе диссипативных солитонов самоиндуцированной прозрачности. Сообщение об этом было сделано на приглашенном докладе на конференции [Р.М. Архипов и др. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОПТИКИ – 2020. Сборник трудов XII Международной конференции. Под редакцией С.А. Козлова. 2020. стр. 118-119]. Экстремальные события являются в настоящее время предметом активных исследований в оптике и других разделах физики [J. M. Dudley, G. Genty, A. Mussot, A. Chabchoub, F. Dias, Nature Reviews Physics, 1, №11, 675-689 (2019)]. Детальное экспериментальное и теоретическое исследование обнаруженного эффекта будет выполнено в данном проекте.
- Участниками проекта был разработан оригинальный метод получения субцикловых и униполярных ПКИ в ТГц и УФ диапазонах за счет сверхизлучения импульса остановленной поляризации среды, cм. недавний обзор участников проекта [Р. М. Архипов и др., “Генерация предельно коротких аттосекундных и терагерцовых импульсов на основе коллективного спонтанного излучения тонкой резонансной среды (Миниобзор)”, Письма в ЖЭТФ, 113:4 (2021), 237–247]. Однако предыдущие исследования проводились для тонких сред при малоуровневом приближении. В данном проекте будет показана возможность получения униполярных импульсов в протяженной среде за счет сверхизлучения импульса остановленной поляризации. И показана возможность управления формой и длительностью импульсов (при изменении пространственного профиля концентрации среды).
- На сегодняшний день аналитическая теория явления самоиндуцированной прозрачности (СИП) для длинных импульсов предсказывает замедление распространения импульсов до скоростей, значение которых достигает тысячных долей скорости света [S. L. McCall, E.L. Нahn, “Self-induced transparency”, Phys. Rev. 183, 457 (1969)]. В случае ПКИ одноцикловой и субцикловой длительности возникает вопрос, насколько может замедлиться такой импульс при распространении в режиме СИП в резонансной среде. Предварительные результаты показывают (см. файл с доп. информацией), что в таком случае возможна самоостановка света в среде, которая заключается в формировании застывших в пространстве, но осциллирующих во времени структур света, поляризации и инверсии. Данные задачи не рассматривались ранее и являются предметом детального изучения в данном проекте.
- Ранее нами в результате приближенного решения уравнения Шредингера и численных расчетов уравнений Блоха для малоуровневых сред была показана возможность эффективного, сверхбыстрого воздействия и наведения решеток разности населенностей в квантовых системах с помощью униполярных и субцикловых импульсов [R.M. Arkhipov et al. "Unipolar subcycle pulse-driven nonresonant excitation of quantum systems", Optics letters 44 (5), 1202-1205 (2019); "Selective ultrafast control of multi-level quantum systems by subcycle and unipolar pulses", Optics Express 28 (11), 17020-17034 (2020); "Population difference gratings created on vibrational transitions by nonoverlapping subcycle THz pulses", Scientific Reports 11, 1961 (2021)]. Однако, более детальный анализ, основанных на численном решении уравнения Шредингера, включающий в себя ионизацию атомов, не проводился. Данное исследование планируется провести в данном проекте.
АкронимRSF_MOL_RG_2021 - 3
СтатусЗавершено
Эффективные даты начала/конца1/07/2330/06/24

    Области исследований

  • сверхбыстрые информационно-телекоммуникационные системы, предельно короткие импульсы, субцикловые импульсы, униполярные импульсы, униполярный свет, аттосекундные импульс, сверхбыстрая оптика

ID: 107100289