EN

Самофокусировка световых пучков и филаментация лазерных импульсов

Исполнилось 50 лет первой публикации, в которой сотрудник ФИАНа Г.Аскарьян предсказал явление самофокусировки световых пучков. За эти годы эйфория первых лет, связанная с надеждами на возможность передачи оптической энергии без потерь на большие расстояния, сменилась разочарованием в этом явлении, вызывающем разрушение оптических элементов и ограничивающем мощность высокоэнергетических лазерных систем. Возрождение интереса к явлению самофокусировки света в последнее десятилетие непосредственно связано с прогрессом в создании мощных фемтосекундных лазерных установок, что позволило получать в газах и конденсированных средах протяженные тонкие филаменты с высокой плотностью энергии лазерного излучения. Локализация лазерной энергии в объеме среды без каких-либо направляющих систем, образование плазменных каналов, генерация в филаменте широкополосного суперконтинуума, конической эмиссии, терагерцового излучения вновь привлекли внимание исследователей к изучению явления фемтосекундной филаментации. Успех в стремительном исследовании филаментации во многом предопределен тем, что явление самофокусировки света было глубоко изучено ранее до эпохи фемтосекундных лазеров. В исследовании явления самофокусировки света определяющий вклад внесли ученые нашей страны научных школ ФИАНа, Института прикладной физики в Н. Новгороде и, что особенно приятно отметить, научной школы С.А. Ахманова, А.П. Сухорукова, Р.В. Хохлова на физическом факультете МГУ.
Самофокусировка световых пучков — это наиболее яркий эффект нелинейной оптики. В сильном световом поле показатель преломления среды возрастает вследствие нелинейности, обусловленной эффектами Керра и электрострикции. Поэтому на границе светового пучка лучи, преломляясь, отклоняются к его оси, что вызывает сжатие пучка и рост пиковой интенсивности. В процессе самофокусировки нелинейная рефракция лучей в пучке усиливается, что вызывает лавинообразное возрастание интенсивности и коллапсирующее сжатие пучка. Самофокусировка является пороговым эффектом и возникает при мощности, превышающей критическую величину, которая зависит от нелинейности среды и длины волны света. В нелинейной оптике самофокусировка занимает особое место, поскольку вызывает возникновение многих других нелинейных эффектов вследствие увеличения интенсивности светового поля. Вместе с этим, лавинообразный рост интенсивности при самофокусировке создавал множество непреодолимых проблем, ограничивающих мощность излучения высокоэнергетических лазерных систем. При мощности излучения, значительно превышающей критическую мощность самофокусировки, пучок распадается на множество нитей с высокой плотностью энергии, которые вызывают повреждения оптического материала. Много изящных методов было предложено в 1970-80 годах для подавления этой мелкомасштабной самофокусировки. В усилителях ультракоротких импульсов самофокусировка в активной среде вызывает нелинейные потери, связанные с увеличением расходимости пучка после его сжатия в нелинейном фокусе. Правда, распад ультракороткого импульса при самофокусировке в активной среде на фрагменты фемтосекундной длительности открыл путь к созданию, так называемых, KLM лазеров, которые в настоящее время используются для генерации фемтосекундных импульсов. В целом, относительно самофокусировки световых пучков сложилось устойчивое представление как исключительно вредном эффекте нелинейной оптики.
Физические представления о самофокусировке световых пучков в 1960-х годах и филаментации фемтосекундного мпульсного излучения в настоящее время наглядно демонстрирует единство и различие основных закономерностей этих явлений. Развитие исследований этих явлений, полное драматизма, проходило на фоне острых дискуссий различных научных школ и борьбы за приоритеты.
Впервые самофокусировка лазерного пучка зарегистрирована в 1965 году у нас на физическом факультете аспирантом Н. Пилипецким и дипломником А. Рустамовым, которые наблюдали тонкую светящуюся нить при распространении наносекундного лазерного импульса мегаваттной мощности в кювете с органическими жидкостями. В своей статье, опубликованной в журнале «Письма в ЖЭТФ», они дают ясную физическую интерпретацию результатам эксперимента на основе публикации Г. Аскарьяна и первых теоретических работ, выполненных в группах В.И. Таланова (Н. Новгород) и C.H. Townes (США). Однако в зарубежных публикациях, как правило, ссылаются на американскую работу 1964 года, автор которой Hercher M. исследовал разрушение оптического стекла при различной геометрической фокусировке лазерного пучка. Примечательно, что при такой «популярности» этой работы существовало лишь упоминание ее в программе конференции, опубликованной в JOSA, а ее текст появился лишь в 2009 году и сразу в виде репринтной копии!
Светящиеся нити, зарегистрированные в 1965 году при самофокусировке пучка в жидкости и спустя 30 лет при филаментации фемтосекундного излучения в воздухе, удивительно похожи, отличаются лишь протяженностью и, на первый взгляд, подобны волноводам, которые индуцирует в среде мощный пучок.


Самофокусировка пучка в жидкости. Физический ф-т МГУ, 1965

Филаментация импульса в воздухе. Университет Лаваль, Канада, 2005

В первых исследованиях как самофокусировки света в 1970-х, так и филаментации импульсов в 1990-х, противопоставлялись волноводная модели, в которой излучение распространяется в наведенным им волноводе, и модель движущихся фокусов, согласно которой непрерывное множество нелинейных фокусов в летящем импульсе образуют светящуюся нить при филаментации и самофокусировке излучения. В настоящее время модель движущихся фокусов В.Н. Лугового — А.М. Прохорова, обобщена в работах Российско-Канадской группы университета Лаваль в Квебеке и Физического факультета МГУ на явления филаментации фемтосекундного импульса в условиях генерации лазерной плазмы.
В самофокусировке света учеными нашей страны получены результаты, приоритет которых признан международным научным сообществом. Это, в первую очередь, модель движущихся фокусов В.Н. Лугового, А.М. Прохорова (ФИАН), безаберрационное приближение в теории самофокусировки С.А. Ахманова, А.П. Сухорукова, Р.В. Хохлова (МГУ), анализ пространственной неустойчивости мощного светового поля в нелинейной среде В.И. Беспалова, В.И. Таланова (ИПФ, Н.Новгород). Но есть, к сожалению, и неоправдано забытые пионерские работы. Так, на основе результатов численного моделирования группой В.И.Таланова предложена эмпирическая формула для расстояния самофокусировки светового пучка, что было опубликовано в 1967 году в журнале ИВУЗ Радиофизика. Такое же выражение с отличием в третьем знаке после запятой получил и опубликовал в 1975 году J.H.Marburger в престижном международном журнале Progress in Quantum Electronics. С тех пор это широко известное выражение носит название формулы Марбургера.
Малое цитирование работ советских ученых в значительной степени связано с издержками того времени, когда публикация в зарубежном журнале была связана со значительными трудностями, а русские журналы, если переводились на английский язык, то спустя один-два года после выхода статьи. Сейчас мы свободно посылаем свои статьи в зарубежные журналы, и это приветствуется и даже поощряется руководством Университета. Многие российские журналы практически одновременно выходят на русском и английском языках. Но индекс цитирования российских ученых значительно отстает от зарубежных. Это является отчасти следствием нашей «скромности» в оценке работ своих коллег. Зачастую в статьях наших авторов исчерпывающе даны ссылки на публикации зарубежных авторов и пропущены на работы российских. Рецензенты международных журналов считают своим долгом рекомендовать включение статей зарубежных авторов в список литературы. Однако при рецензировании статей в отечественных журналах редко обращают внимание на цитирование российских работ. Широкое представление публикаций российских авторов в списках литературы наших статей будет способствовать увеличению информированности мировой научной общественности о достижениях Российской науки и повышению ее международного рейтинга.
Профессор В.П. Кандидов

Назад