Оптика сверхкоротких импульсов (семестровый курс для магистров)

Программа
Рабочая программы дисциплины 1. Название дисциплины Сверхкороткие лазерные импульсы 2. Лекторы. 2.1. Д.ф.м.н., профессор Андреев Анатолий Васильевич, каф. общей физики и волновых процессов, av_andreev@phys.msu.ru, (495)939-3092 2.2. К.ф.м.н., доцент Магницкий Сергей Александрович, каф. общей физики и волновых процессов, sergeymagnitskiy@gmail.com 3. Список основных тем, изучаемых в рамках дисциплины Лекция 1 Современное состояние исследований в области физики сверхкоротких лазерных импульсов Лекция 2 Распространение лазерных импульсов в диспергирующих линейных и нелинейных средах: Чирпирование импульса в линейной диспергирующей среде. ГВГ и самовоздействие импульсов в нелинейных средах. Параметрическая генерация в поле сверхкоротких лазерных импульсов. Параметрические генераторы с инжекцией излучения. Измерение плотности нулевых колебаний электромагнитного вакуума. Лекция 3 Распространение сверхкоротких импульсов в двухкомпонентной резонансно усиливающей/поглощающей среде: Понятие длительности, ширины спектра и чирпа светового импульса. Формула Франца-Нодвига. Пикосекундный лазер на гранате с самосинхронизацией мод и отрицательной обратной свяью Лекция 4 Методы измерения временных параметров сверхкоротких лазерных импульсов: Прямые и автокорреляционные методы измерения длительности световых импульсов. Автокорреляторы 2-го и 3-го порядков. Измерение поля сверхкороткого светового импульса методом FROG Лекция 5 Спектроскопия поверхности на основе ГВГ при отражении в поле сверхкоротких лазерных импульсов: Фемтосекундная лазерная установка, позволяющая измерять состояние поляризации второй гармоноки при отразжении. Применение методики на примере поверхностного G-метаматериала Лекция 6 Нестационарная КАРС спектроскопия молекулярных газов с использованием коротких лазерных импульсов: Принципы нестацинарной спектроскопии с использованием сверхкоротких лазерных импульсов. Теория нестационарной КАРС молекулярных газов. Пикосекундный КАРС спектрометр на основе инжекционного параметрического генератора света для исследования дефазировки молекулярных газов Лекция 7 Рентгеновские лазеры, гегнерирующие сверхкороткие импульсы: История возникновения и развития рентгеновских лазеров. XFEL лазеры. Двухкаскадный плазменный фемтосекундный рентгеновский лазер на столкновительном возбуждении 3p-3s переходов никель-подобных ионов серебра Лекция 8 Гегнерация сверхкоротких световых импульсов в режиме одиночных фотонов: Формирование фемтосекундных однофотонных импульсов в процессе спонтанной параметрической люминесценции. Применение в квантовой криптографии Лекция 9 Синхронизация мод: Ширины линий усиления атомарных и молекулярных газов, жидкостей, твердых тел. Спектр мод поля в резонаторе. Предельная длительность импульса генерации. Синхронизация мод поля в резонаторе. Профиль интенсивности импульсов генерации в лазере с принудительной синхронизацией мод. Самосинхронизации мод поля в резонаторе. Лекция 10 Обобщенный двухуровневый атом: Полная (неукороченная) система уравнений Максвелла-Блоха для взаимодействия УКИ со средой двухуровневых атомов. Линейное приближение - модель Лоренца. Уравнение дисперсии. Запрещенная область частот, ее ширина и зависимость от параметров среды. Лекция 11 Блоховский интеграл движения уравнений Максвелла-Блоха. Азимутальный и полярный углы Блоха и их физический смысл. Синфазная и квадратурная компоненты плотности тока поляризации. Зависимость соотношения скоростей диссипативных и реактивных процессов от разности фаз между полем и поляризацией. Разложение поляризации по квадратурным компонентам - физический смысл и графическое представление. Лекция 12 Зонная структура уровней: Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Структура их энергетических уровней. Конфигурационная координата. Зонная структура уровней в твердом теле. Плотность электронных состояний в зоне проводимости, концентрация носителей. Энергия Ферми. Донорные и акцепторные уровни. Лекция 13 Уравнения генерации молекулярных и твердотельных лазеров. Межзонная и внутризонная релаксация. Квазиравновесное распределение колебательно-вращательных состояний молекул. Квазиравновесное распределение в твердом теле. Профиль полосы усиления на межзонных переходах. Лазеры с насыщающимся поглотителем. Методы компрессии импульсов. Лекция 14 Динамика генерации ультракоротких импульсов в лазерах на красителях и твердотельных лазерах. Условие инверсии. Связь предельной длительности импульса с шириной полосы усиления. Насыщающийся поглотитель. Механизм сокращения длительности в лазерах с насыщающимся поглотителем и предельная длительность импульса. Усиление на межзонных переходах. Влияние дисперсии среды на предельную длительность генерируемого импульса. Лекция 15 Теория генерации высоких оптических гармоник. Особенности взаимодействия сверхсильных пространственно-неоднородных лазерных полей с атомарными и молекулярными средами. Эффект генерации высоких оптических гармоник в атомарных газах. Классическая теория процесса генерации высоких оптических гармоник. Лекция 16 Природа нелинейности оптического отклика атома: Собственные решения краевой задачи о движении электрона в суперпозиции сферически симметричного внутриатомного поля и поля внешней электромагнитной волны. Связь собственных волновых функций краевых задач свободного атома и 'атома во внешнем поле'. Лекция 17 Атом в сверхсильном лазерном поле: Ионизация атома: многофотонная и туннельная ионизация, эффекты стабилизации ионизации и ускоренной ионизации. Взаимодействие атома с многочастотным лазерным полем. Поляризационные свойства нелинейно-оптического отклика атома в сверхсильном лазерном поле. 4. Основная литература. 1. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988 2. Femtosecond-Scale Optics, Anatoli V. Andreev (Ed.), ISBN: 978-953-307-769-7, InTech (2011) 3. Андреев А.В. 'Взаимодействие атома со сверхсильными полями' ЖЭТФ, т.116, вып. 3(9), с. 793-806 (1999) 4. Andreev A.V. ATOMIC SPECTROSCOPY: Introduction to the Theory of Hyperfine Structure. Springer, 2006. 5. А.П.Сухоруков. Оптика сверхкоротких импульсов. Соросовский образовательный журнал, ?7, с.81 (1997) 6. Андреев А.В. 'Релятивистская квантовая механика: частицы и зеркальные частицы', М.: Физматлит, 2009 7. Sergey Magnitskiy et.al. Observation and theory of X-ray mirages. Nature Communications 4, Article number: 1936, doi:10.1038/ncomms2923, 04 June 2013 8. Андреев А.В., Стремоухов С.Ю., Шутова О.А. Ионизация многоуровневого атома ультракороткими лазерными импульсами. ЖЭТФ, 138, 1060 (2010)