Одноцикловый, субцикловый и униполярный свет: получение и применения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-10028

НазваниеОдноцикловый, субцикловый и униполярный свет: получение и применения

Руководитель Архипов Ростислав Михайлович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые слова сверхбыстрые информационно-телекоммуникационные системы, предельно короткие импульсы, одноцикловые импульсы, субцикловые импульсы, униполярные импульсы, униполярный свет, аттосекундные импульсы, лазеры, синхронизация мод, сверхбыстрая оптика

Код ГРНТИ29.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ