автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Формирование сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем и применение фемтосекундного излучения для объемной модификации полимеров

ггъ од

1 с ' 2103

На правах рукописи

КОРЫТИН Алексей Иванович

ФОРМИРОВАНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРАХ С ИНЕРЦИОННЫМ НАСЫЩАЮЩИМСЯ ПОГЛОТИТЕЛЕМ И ПРИМЕНЕНИЕ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОБЪЕМНОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОЛИМЕРОВ

05.27.03 - квантовая электроника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2000

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Сергеев А.М.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор В.М.Гордиенко

доктор физико-математических наук В л. В. Комарове кий

Ведущая организация:

Институт лазерной физики СО РАН (г.Новосибирск)

Защита состоится "/5"" 2000 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д003.38.01 в Институте прикладной физики РАН (603600, г. Нижний Новгород, ГСП-120,ул. Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан марта 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н., профессор Ю.В.Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из наиболее ярких направлений в современной фемтосекундной оптике является исследование модификации физических свойств вещества при нелинейном воздействии на его внутреннюю структуру сверхкороткими оптическими импульсами. Преимущества фемтосекундного излучения связаны с максимальной концентрацией лазерной энергии и локализацией возбуждения в произвольном месте объема вещества за счет многофотонных процессов. В конце 90-х годов в ряде экспериментов было продемонстрировано, что острая фокусировка мощных фемтосекундных импульсов позволяет осуществлять локализованную структурную модификацию прозрачных диэлектриков в виде объемных точек [1] и протяженных каналов [2] с микронным и субмикронным разрешением. В работе [3] было показано, что аналогичные структурные преобразования происходят при воздействии на полимеры излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией и высокой частотой следования импульсов. Тем самым открывается реальная возможность создания сложных трехмерных структур с большим количеством элементов, которые представляют значительный интерес для различных микро- и нанотехнологий, при разработке перспективных систем хранения информации, создании элементов интегральной оггтики и фотонных кристаллов.

Актуальность круга вопросов, рассмотренных в диссертации, обусловлена перспективой практического применения фемтосекундных лазеров для прецизионной модификации внутренней структуры материалов. Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию механизмов формирования сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем и экспериментальной демонстрации возможности трехмерной модификации полимеров излучением фемтосекундных лазеров.

Актуальность конкретных вопросов, обсуждаемых в первой и второй главах работы, связана с разработкой во второй половине 90-х годов нового поколения источников фемтосекундных лазерных импульсов [4, 5]. Твердотельные лазеры с диодной накачкой и инерционным насыщающимся поглотителем по совокупности параметров, таю«, как экономичность, компактность, надежность, стабильность и простота в эксплуатации, во многом отвечают требованиям научных, промышленных, медицинских и прочих приложений. Несмотря на впечатляющие успехи в создании новой лазерной техники, теоретические представления о ключевых механизмах формирования сверхкоротких импульсов в подобных источниках во многом остаются неразвитыми. В частности, такие лазеры способны генерировать

импульсы длительностью много меньшей времени отклика насыщающегося поглотителя. В ТкиррЫге лазере этот эффект может быть объяснен модуляционной неустойчивостью оптического поля, свойственной шрединге-ровскому солигону [6]. Однако эффективность подобного механизма формирования сверхкоротких импульсов вызывает сомнения в случае широкополосных лазеров с диодной накачкой [7], в которых нелинейный фазовый сдвиг поля в десятки раз меньше. Поэтому дальнейшее исследование режимов синхронизации мод в лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем представляет собой важную и интересную задачу.

Актуальность экспериментов, описанных в третьей главе диссертации, обусловлена открытием и изучением новых приложений фемтосекундного излучения при его воздействии на вещество в диапазоне ингенсивностей от 108 до 1012 Вт/см2. В работах [8, 9] продемонстрирована возможность применения модификации фотополимеров и полимеров, допированных молекулами красителей излучением фемтосекундных лазеров для сверхплотной записи информации в объеме вещества. Информация записывалась в виде локализованных вариаций показателя преломления при фотополимеризации [8] или фотохромных изменений спектра поглощения красителя [9]. В диссертации исследовалась объемная модификация полимеров излучением фемтосекундного лазера в виде локализованных структурных преобразований (разрушений) матрицы вещества. Подобные фотоиндуци-руемые изменения обладают высоким контрастом оптических свойств и устойчивостью к внешним воздействиям. Результаты этих исследований демонстрируют уникальную возможность практического применения фемтосекундных лазеров для прецизионной модификации внутренней структуры вещества.

Основными целями диссертации являются теоретическое и экспериментальное исследование особенностей генерации сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем, создание подобных лазерных источников и исследование объемной модификации полимеров излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией и высокой частотой следования импульсов.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Исследованы процессы формирования сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем в условиях, когда консервативная нелинейность не является доминирующим фактором. Обнаружен новый тип стационарных нелинейных волновых структур - диссипативные оптические солитоны.

2. Экспериментально исследованы особенности работы фемтосекундного Сп^САТ лазера с диодной накачкой и насыщающимся брэгговским отражателем - перспективного компактного источника фемтосекундных лазерных импульсов с высокой средней мощностью (~1 Вт).

3. Экспериментально исследованы процессы объемной модификации поли-метилметакрилата (ПММА), допированного спиропираном, излучением фемтосекундного "П^аррЫге с низкой (2-3 нДж) энергией и высокой (100 МГц) частотой повторения импульсов. Показана возможность контролируемой структурной модификации матрицы полимера излучением фемтосекундного лазера.

4. Обнаружен эффект самоканалирования фемтосекундного излучения в ПММА, допированном спиропираном, вызванный фотохимическими преобразованиями в среде при двухфотонном возбуждении красителя. Взаимодействие излучения с веществом аналогично нестационарной самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной нелинейностью и приводит к образованию устойчивых структур волноводного типа.

5. Экспериментально исследованы процессы объемной структурной модификации недопированного ПММА второй гармоникой излучения фемтосекундного ТгваррЫге лазера с низкой (3-30 пДж) энергией и высокой (100 МГц) частотой повторения импульсов.

Практическое значение работы. В диссертации проведено исследование механизмов формирования фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем. Полученные результаты позволяют оценить параметры генерации лазеров данного типа.

Разработанные в диссертации методы контролируемой объемной модификации полимеров излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией импульсов - важный шаг на пути к практическому применению фемтосекундной лазерной техники в медицине, различных микро- и нано-технологиях, при разработке перспективных систем хранения информации, создании элементов интегральной оптики и фотонных кристаллов.

На защиту выносятся основные положения: 1. В оптической среде с инерционной диссипативной нелинейностью и дисперсией групповых скоростей (ДГС) реализуются устойчивые солитонные структуры, не имеющие аналогов в физике консервативных сред. Эти структуры, напоминающие волны ионизации или волны горения, представляют собой волновые пакеты со стационарной энергией и формой огибающей, центральная частота которых непрерывно смещается. В отличие от со-лиггонов консервативных систем, диссипативные оптические солигоны существуют при любом знаке ДГС. При компенсации дисперсии второго

порядка с определенным знаком дисперсии третьего порядка, тенденция диссипативных оптических солитонов к смещению своего спектра приводит к эффекту самонастройки на частоту, соответствующую наиболее коротким стационарным импульсам в данной среде.

2. В твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем существуют режимы генерации импульсов с длительностью много меньше времен релаксации поглотителя. Тип формирующегося в лазерах импульса определяется соотношением вкладов консервативной и диссипативной нелинейности и соответствует в предельных случаях шредингеровскому и диссипативному оптическому солитонам.

3. Взаимодействие излучения фемтосекундного ТкваррЫге лазера с ПММА, допированным молекулами спиропирана, приводит к самоканали-рованию лазерного пучка. Изомеризация красителя при двухфотонном возбуждении вызывает изменения показателя преломления среды. Накопление фотохимических преобразований от импульса к импульсу эквивалентно нестационарной самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной нелинейностью. В результате эволюции лазерного пучка в допированном полимере формируются устойчивые структуры волноводного типа, заполненные изомеризованным красителем. Диаметр каналов ~ 5 мкм при длине 3-5 мм.

4. Острая фокусировка импульсов фемтосекундного ТгваррЫге лазера с низкой энергией и высокой частотой следования в объем полимеров способна вызывать контролируемые структурные преобразования в матрице вещества. В результате в области фокуса образуются сферические модифицированные области с размерами ~ 2 мкм, обладающие высоким контрастом оптических свойств. Двухфотонный резонанс поглощения либо внедренного в полимер красителя, либо хромофоров самого полимера позволяет реализовать нелинейные механизмы лазерной модификации матрицы вещества при пиковых интенсивностях менее 1 ТВт/см2.

Апробация работы. Публикации Материалы диссертации опубликованы в работах [1а]-[17а], а также докладывались на международных конференциях по оптике лазеров (С.-Петербург, 1993, 1997), информационной оптике 018Т'97 (Москва, 1997), когерентной и нелинейной оптике 1С0Ы0'98 (Москва, 1998), лазерам и электрооптике СЬЕО'98 и СЬЕО'99 (США), лазерам с высокой мощностью и их приложениям ЬА5Е'99 (США), на научных семинарах ИПФ РАН и университета г. Умеа (Швеция).

Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 138 страниц, включая 32 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цели, изложена структура диссертации, приведены выносимые на защиту положения

Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию режимов генерации фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем. Она содержит четыре параграфа. В первом параграфе излагаются общие принципы теории пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем и выводится система уравнений, описывающая процесс генерации сверхкоротких лазерных импульсов. При условии малости изменений импульса поля за один обход резонатора проблема синхронизации мод в фемтосекундных лазерах эквивалентна задаче о распространении короткого оптического импульса в непрерывной среде, обладающей свойствами лазера [10-18]. Солитониые решения системы уравнений соответствуют стационарной генерации лазера в режиме синхронизации мод.

Во втором параграфе рассмотрен случай слабого насыщения поглотителя. Показано, что в лазере формируются нелинейные локализованные волны нового типа - диссипативные оптические солитоны. Исследованы структура подобного автосолитона и его динамические свойства. Обладая неизменной формой и энергией, диссипативные оптические солитоны имеют тенденцию к непрерывному смещению своего спектра. Они существуют при любых знаках дисперсии и диссипативной нелинейности и имеют фундаментальное значение в рассматриваемой системе - любое начальное распределение, в конечном счете, трансформируется в автосолитон.

В третьем параграфе исследованы свойства диссипативных оптических солитонов в среде с дисперсией третьего порядка. Показано, что эволюция диссипативного солитона сопровождается самонастройкой его спектра на частоту нулевой дисперсии второго порядка. При этом происходит компрессия импульса, имеющая характер коллапса, и формируется новый со-литон, распространяющийся с постоянной скоростью и обладающий предельно короткой длительностью в данной системе.

В четвертом параграфе приведены результаты численного исследования процессов формирования фемтосекундного импульса в твердотельных лазерах с инерционным, сильно насыщающимся поглотителем. В вычислениях использовались параметры, соответствующие реальным лазерам с полупроводниковым насыщающимся поглотителем: СгЫБАР лазеру с диодной накачкой и ТгваррЫге лазеру. Обнаружено, что в лазерах существует режим генерации сверхкоротких импульсов, сочетающих свойства

шредингеровского и днссипативного солитонов, в зависимости от соотношения вкладов консервативной и диссипативной нелинейности.

Вторая глава диссертации посвящена созданию твердотельных лазеров с полупроводниковым насыщающимся поглотителем и изучению особенностей их генерации. Она включает в себя три параграфа. Первый параграф является введением к главе. В нем анализируются основные тенденции развития фемтосекундных лазеров с диодной накачкой и полупроводниковыми насыщающимися поглотителями.

Во втором параграфе исследованы режимы генерации Cr:LiSGAF лазера с насыщающимся брэгговским отражателем (НБО) - нелинейным полупроводниковым зеркалом с квантоворазмерной ямой. Насыщающееся поглощение кванговоразмерной ямы позволяет использовать это устройство в качестве элемента синхронизации мод в лазерах. На плоскости параметров длина волны - мощность накачки определены границы непрерывной генерации, режимов самомодуляции добротности и синхронизации мод. В режиме синхронизации мод лазер генерировал импульсы с минимальной длительностью 100 фс при средней мощности излучения 40 мВт. Длина волны фемтосекувдной генерации пререстраивалась от 830 до 850 нм вблизи пиков поглощения кванговоразмерной ямы. В экспериментах обнаружено, что наиболее короткие импульсы получаются при ДГС, равной нулю, и что лазер способен генерировать фемтосекувдные импульсы при положительной дисперсии групповых задержек резонатора, т.е. в условиях, когда шре-дингеровский солитон не существует. С другой стороны, зависимость длительности импульса от дисперсии имеет явно асимметричный характер, в то время как структура формы диссипативных солитонов не зависит от знака ДГС. Зависимость длительности импульса от выходной мощности лазера имеет вид степенной функции с показателем, близким к -0.7, в то время как длительность шредингеровского солитона обратно пропорциональна его энергии, а у днссипативного солитона показатель степени этой зависимости равен -1/3. Эти экспериментальные данные подтверждают теоретический вывод о том, что в лазере формируются импульсы, сочетающие свойства консервативного и днссипативного солитона.

В третьем параграфе приводится описание фемтосекундного Ti:sapphire лазера. Генерация фемтосекундных импульсов осуществлялась с помощью совместной синхронизации мод лазера на керровской линзе и с НБО. Невысокое качество имеющегося лазерного кристалла не позволяет получить устойчивую генерацию фемтосекундных импульсов в режиме синхронизации мод на керровской линзе. При использовании НБО в качестве дополнительного элемента синхронизации мод в лазере были получены импульсы с минимальной длительностью 80 фс при средней мощности излучения

300 мВт. Лазер генерировал фемтосекундные импульсы в диапазоне длин волн от 770 до 870 нм. Широкий диапазон длин волн генерации лазера в сочетании с относительно высокой средней мощностью излучения сделали возможным применение данного лазера в экспериментах по лазерной модификации полимеров.

Третья глава посвящена применению излучения фемтосекундного Ti .sapphire лазера для объемной модификации ПММА. Первый параграф является введением к главе. В нем дается описание общего состояния исследуемой проблемы.

Во втором параграфе приводятся результаты экспериментов по объемной лазерной модификации ПММА, допированного молекулами спиропи-рана. Полимер облучался фемтосекундными импульсами Ti:sapphire лазера при различной степени фокусировки, что соответствовало пиковым интен-сивностям от 108 до 10п Вт/см. Обнаружен ряд эффектов, связанных с накоплением фото индуцированных изменений в среде. При пиковых интен-сивностях меньше 1 ГВт/см2 преобладали эффекты накопления фотохимических изменений красителя. Увеличение показателя преломления среды при изомеризации красителя приводило к самоканалированию излучения, аналогичному самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной нелинейностью и формированию в среде устойчивых структур волноводно-го типа. При пиковых интенсивностях 1 - 1000 ГВт/см2 накопление тепла за счет релаксации двухфотонного возбуждения красителя приводит к образованию локальных вариаций показателя преломления среды (микролинз). При пиковой интенсивности выше 1 ТВт/см2 происходила контролируемая структурная модификация матрицы полимера, в результате чего в фокусе образовывалась сферическая модифицированная область с диаметром около 2 мкм, обладающая высоким контрастом оптических свойств.

В третьем параграфе приводится описание экспериментов по объемной модификации недопированного ПММА второй гармоникой Ti.sapphire лазера. При воздействии второй гармоникой излучения Ti:sapphire лазера наблюдалась контролируемая структурная модификация недопированного ПММА при пиковой интенсивности выше 1 ГВт/см2. Время развития структурной модификации обратно пропорционально мощности второй гармоники. При совместном облучении полимера излучением на второй гармонике и основной частоте Ti:sapphire лазера структурная модификация заметно ускоряется. Локация модифицированных областей с помощью оптической когерентной томографии показала, что они обладают высоким контрастом отражательной способности. Перепад показателя преломления на поверхности модифицированных областей близок к 50%.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Теоретически показано, что при синхронизации мод в твердотельных лазерах с инерционным, слабо насыщающимся поглотителем существуют режимы устойчивой генерации фемтосекундных импульсов, соответствующих новому типу нелинейных волн - диссипативным оптическим солито-нам.

2. Теоретически обнаружен эффект самонастройки частоты диссипативных оптических солитонов на точку компенсации дисперсии второго порядка. Показано, что при отрицательном знаке дисперсии третьего порядка генерация твердотельных лазеров с инерционным, слабо насыщающимся поглотителем, благодаря эффекту самонастройки, осуществляется на длине волны, соответствующей наиболее короткой длительности импульсов

3. Теоретически показано, что в твердотельных лазерах с инерционным, сильно насыщающимся поглотителем механизм формирования сверхкоротких импульсов определяется совместным действием консервативной и дис-сипативной нелинейносгей. Выявлен параметр, определяющий тип генерируемых импульсов в различных лазерах.

4. Впервые создан твердотельный фемтосекундный Сг.иБСАР лазер с диодной накачкой и полупроводниковым насыщающимся брэгговским отражателем. Экспериментально показано, что в соответствии с разработанной теорией в лазере существуют режимы генерации фемтосекундных импульсов, сочетающих свойства диссипативных и консервативных солитонов.

5. В экспериментах по воздействию импульсами фемтосекундного Тквар-рЫге лазера с пиковой мощностью ~ 20 кВт на полимегилметакрилат (ПММА), дотированный спиропираном, обнаружено, что накопление продуктов фотохимической реакции при двухфотонном возбуждении допанта приводит к самоканалированию излучения и образованию устойчивых структур волноводного типа.

6. Экспериментально показано, что при острой фокусировке излучения фемтосекундного Тг.варрЫте лазера с энергией импульсов ~3 нДж в объем ПММА, допированного спиропираном, происходят контролируемые структурные преобразования матрицы полимера. Высокий контраст оптических свойств н микронные размеры модифицированных областей делают данный метод перспективным для разработки оптических систем хранения информации, создания элементов интегральной оптики и фотонных кристаллов.

7. Экспериментально показано, что воздействие второй гармоникой излучения фемтосекундного Тг.БаррМте лазера на недопированный ПММА при

энергии импульсов 10 пДж приводит к контролируемой структурной модификации в объеме полимера. При совместном облучении фемтосекундным излучением второй гармоники и основной частоты лазера время образования структурной модификации заметно уменьшается.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 GlezerN., Milosavljevic М., Huang L., Finlay R.J., Her T.-H., Callan J.P., and Mazur E. Three-dimesional optical storage inside transparent materials // Opt. Lett - 1996. - V. 21, - P. 2023-2025.

2. Babin A.A., Kartashov D.V., Khazanov E.A., Kiselev A.M., Pravdenko K.I., Sergeev A.M., and Stepanov A.N. Long channel formation in transparent materials by femtosecond laser pulses under axicon focusing // in Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest 1999.-paper CWL6-P. 322.

3. Korytin A.I., Bityurin N.M., Alexandrov A.P., Babina N.A., Smirnova L.A., and Sergeev A.M. High-Contrast Bitwise Three-Dimensional Optical Data Storage in Doped Polymers // Optical Memory and Neural Networks. - 1998. -V. 7, № 1. - P. 11-18.

4. Kopf D„ Weingarten K. J., Brovelli L. R„ Kamp M. and Keller U. Diode-pumped 100-fs passively mode-locked Cr:LiSAF laser with an antiresonant Fabry-Perot saturable absorber II Opt. Lett. - 1994. - V. 19, - P. 2143-2145.

5. Tsuda S„ Knox W. H., de Souza E. A., Jan W. Y. and Cunningham J. E. Low-loss intracavity AlAs/AlGaAs saturable Bragg reflector for femtosecond mode locking in solid-state lasers // Opt. Lett. -1995. - V. 20, - P. 2406-2408.

6. Kartner K.X., Jung I.D., and Keller U. Soliton modelocking with satuK-able absorber: Theory and experiments // EEEE J. Sel. Top. in Quantim. Electron. 1996.-V. 2,-P. 540-556

7. Kopf D., Prasad A., Zhang G., Moser M„ and Keller U. Broadly tunable femtosecond Cr:LiSAF laser II Opt. Lett. 1997. - V. 22, - P. 621-623

8. Strickler J.H and Webb W.W. Three-dimesional optical data storage in refractive media by two-photon point excitation // Opt. Lett. - 1991. - V. 16, -P. 1780-1782.

9. Koroteev N.I., Krikunov S.A., Magnitskii S.A., Malakhov D.V., and Shubin V.V. Two-Photon Single-Beam "Bit-by-Bit" Writing and Fluorescent "Page-by-Page" Reading 2.5D Femtosecond Optical Data Storage System // Jpn. J. Appl. Phys. 1998.-V. 37,-P. 2279-2280.

10. Frantz L.M. and Nodvik J.S. Theory of Pulse Propagation in a Laser Amplifier II J. of Appl. Phys. - 1963. - V. 34, № 8. - P. 2346-2349.

11. Таланов В.И. Распространение коротких электромагнитных импульсов в активной среде И Изв. ВУЗов. Радиофизика 1964.-т. 7, -С. 491.

12. Басов Н.Г. и Летохов B.C. Изменения формы импульса света при нелинейном усилении Н ДАН СССР - 1966. - Т. 167, № 1. - С. ,73

13. Garmire Е.М. and Yariv A. Laser mode-locking with saturable absorbers // IEEE J. Quantum Electron. 1967.-V. 3, -P. 222-230.

14. Беспалов В.И. О предельных параметрах импульсов, генерируемых ОКГ в стационарном режиме с захватом мод. // Изв. ВУЗов-Радиотехника 1968.-т. 11, №2-с. 320-322

15. Летохов B.C. Генерация ультракоротких импульсов света в лазере с нелинейным поглотителем // ЖЭТФ 1968.-Т. 55, вып. 9 -С. 1077-1085

16. Крюков П.Р. и Летохов B.C. Распространение импульса света в нелинейно усиливающей (поглощающей) среде // УФН - 1969. - Т. 99- С. 169

17. Haus Н.А. Theory of mode locking with a slow saturable absorber // IEEE J. Quantum. Electron. 1975.-V. 11, -P. 736-746.

18. Григорьян B.C., Маймистов А.И и Скляров Ю.М. Эволюция световых импульсов в нелинейной усиливающей среде // ЖЭТФ - 1988. Т. 94, вып. 3 - С. 174.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

1а. Ванин Е.В., Корытин А.И. и Сергеев A.M. Самонастройка оптических солитонов в фемтосекундныъх генераторах света // Тезисы докладов конфернции "Опггика Лазеров".-1993.-У. 2.-Р. 446

2а. Babin А.А., Feldchtein F.I., Kiselev A.M., Korytin A.I., Sergeev A.M., and Zakharov Y. Solid state tunable laser for space-and-time-domain holography //. Proc. of SPIE.-1993.-V. 2108.-P. 345-346

3a. Vanin E.V., Korytin A.I., Titov S.V., and Sergeev A.M. Phenomenon of self-tuning of optical solitons and its application to the femtosecond light generator//. Proc. of SPIE 1994.-V. 2116.-P. 397-406

4a. Vanin E.V., Korytin A.I., Sergeev A.M., Anderson D„ Lisak M„ and Vazquez L. Dissipative optical solitons !J Phys. Rev. A.-1994. -V. 49, N. 4. - P. 2806-2811.

5a. Anderson D., Korytin A.I., Lisak M., Sergeev A.M., and Vanin E.V. Selftuning of dissipative solitons to zero-dispersion point//Phys. Rev. A,.-1995. -V. 52,N. 2.-P. 1570-1773.

6a. Ma Y.-Z., Feldchtein F., Korytin A., Kiselev A., Miller M„ and GillbroT. Ultrafast energy transfer kinetics in Clorosomes from Cloroflexus aurantiacus//Brazilian Journal of Physics.-1996. -V. 26, N. 2. - P. 530-542.

7a. Yanovsky V.P., Korytin A.I., Wise F.W., Cassanho A., and Jenssen H.P. Femtosecond Diode-Pumped CnLiSGAF Lasers // ŒEE J. of Sel. Top. in Quantum Electron.-1996. -V. 2, N. 3. - P. 465-472.

8a. Korytin A.I., Bityurin N.M., Alexandrov A.P., Babina N.A., Smirnova L.A., Babin A.A., and Sergeev A.M. Three-dimensional optical data recording and reading in polymer media with dyes //. Proc. of SPIE.-1997.-V. 3402.-P. 129-135

9a. Корытин А.И., Битюрнн H.M., Александров А.П., Бабина Н.А., Смирнова Л. А., и Сергеев A.M. Взаимодействие фемтосекундного лазерного излучения с полимерами, допированными молекулами красителя // Избранные труды молодых ученых ИПФ РАН. 1998: Н.Новгород, с. 53-60.

10а. Korytin A.I., Bityurin N.M., Alexandrov А.Р., Babina N.A, Smirnova L.A., and Sergeev A.M. High-Contrast Bitwise Three-Dimensional Optical Data Storage in Doped Polymers // Optical Memory and Neural Net-works.-1998. -V.7, N.l. - P. 11-18.

lia. Korytin A.I., Bityurin N.M., Alexandrov A.P., Babina N.A., Sergeev A.M., and Smirnova L.A. High-contrast bit-oriented three-dimensional optical data storage in doped polymers //. Proc. of Conference on Lasers and Electro-optics (CLEO'98). -1998. -P.406

12a. Khandokhin P.A., Koryukin I.V., Shirokov E.Yu., Feldcshtein F.I., and Korytin A.I. Power Spectra of a CW Titanum Sapphire Laser //. Proc. IX Conference on Laser Optics.-1998.-Paper FrA2 pOl

13a. Bityurin N.M., Malyshev A.Yu„ and Korytin A.I. Ablation and modifications of dielectrics by ultra short laser pulses //. Proc. of Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO'98).-1998.-P. 311

14a. Bityurin N.M., Korytin A.I., Muraviov S.V., and Yurkin A.M. Second harmonic of Ti:sapphire laser as a possible tool for pointlike 3D optical information recording//. Proc. of SPIE.-1999.-V. 3618.-P. 122-129

15a. Korytin A.I., Bityurin N.M., Muraviov S.V., and Yurkin A.M. Voxellike modification of PMMA by combined effect of femtosecond Ti:sapphire laser fundamental firewquency and second harmonic //. Proc. of Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO'99).-1999.-P. 360

16a. Korytin A.I. Competition of soliton-like and disspative mechanisms of mode-locking in lasers with a slow saturable absorber // направлен доклад на конференцию CLEO'2000.

17а. Korytin A.I. Effect of internal structure of with a slow saturable absorber on ultrashort pulse formation II направлен доклад на конференцию CLEO'2000.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Глава 1 Теоретические аспекты формирования фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем

1.1 Теоретические модели фемтосекундных лазеров с пассивной синхронизацией мод

1.2 Диссипативные оптические солитоны

1.3 Самонастройка диссипативных оптических солигонов на нулевое значение дисперсии второго порядка

1.4 Численные расчеты генерации фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем

Глава 2 Экспериментальные исследования фемтосекундных лазеров с насыщающимся брэгговским отражателем

2.1 Фемтосекундные лазеры с диодной накачкой и полупроводниковыми насыщающимися поглотителями

2.2 СпиБСАР лазер с насыщающимся брэгговским отражателем (НБО)

2.3 Комбинированная синхронизация мод в ТкБаррЫге лазере с кер-ровской линзой и НБО

Глава 3 Трехмерная контролируемая модификация полимеров излучением фемтосекундного ТкваррЫге лазера

3.1 Объемная модификация прозрачных диэлектриков фемтосекунд-ными импульсами

3.2 Модификация внутренней структуры полиметилметакрилата (ПММА), допированного спиропираном

3.3 Модификация внутренней структуры недопированного ПММА Заключение

Список литературы

Введение.

Глава 1. Теоретические аспекты формирования фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем.

1.1. Теоретические модели фемтосекундных лазеров с пассивной синхронизацией мод.

1.2. Диссипативные оптические солитоны.

1.3. Самонастройка диссипативных оптических солитонов на нулевое значение дисперсии второго порядка.

1.4. Численные расчеты генерации фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем.

Глава 2. Экспериментальные исследования фемтосекундных лазеров с насыщающимся брэгговским отражателем.

2.1. Фемтосекундные лазеры с диодной накачкой и полупроводниковыми насыщающимися поглотителями.

2.2. Cr:LiSGAF лазер с насыщающимся брэгговским отражателем (НБО).

2.3. Комбинированная синхронизация мод в Ti: sapphire лазере с керровской линзой и НБО.

Глава 3. Трехмерная контролируемая модификация полимеров излучением фемтосекундного Ti:sapphire лазера.

3.1. Объемная модификация прозрачных диэлектриков фемтосекундными импульсами.

3.2. Модификация внутренней структуры полиметилметакрилата (ПММА), допированного спиропираном.

-33.3. Модификация внутренней структуры недопированного ПММА.

Одним из наиболее ярких направлений в современной фемтосекундной оптике является исследование модификации физических свойств вещества при нелинейном воздействии на его внутреннюю структуру сверхкороткими оптическими импульсами. Преимущества фемтосекундного излучения связаны с максимальной концентрацией лазерной энергии и локализацией возбуждения в произвольном месте объема вещества за счет многофотонных процессов. В конце 90-х годов в ряде экспериментов было показано, что острая фокусировка мощных фемтосекундных импульсов позволяет осуществлять локализованную структурную модификацию прозрачных диэлектриков в виде объемных точек [1] и протяженных каналов [2] с микронным и субмикронным разрешением. В наших экспериментах [3-10] было показано, что аналогичная модификация происходит при воздействии на полимеры излучением фемтосекундного лазера с низкой энергией и высокой частотой следования импульсов. Тем самым открывается реальная возможность создания сложных трехмерных структур с большим количеством элементов, которые представляют значительный интерес для различных микро- и нанотехнологий, при разработке перспективных систем хранения информации, элементов интегральной оптики и фотонных кристаллов.

Основным источником фемтосекундных оптических импульсов являются лазеры с пассивной синхронизацией мод. Для генерации сверхкоротких импульсов в лазерах нужно обеспечить выполнение трех условий. Во-первых, лазерная среда должна обладать широкополосным усилением. Во-вторых, в резонаторе лазера должна быть скомпенсирована дисперсия собственных частот продольных мод. В-третьих, необходим эффективный механизм самосинхронизации мод лазера. Теоретические представления о механизмах пассивной синхронизации мод различных лазеров основываются на трех фундаментальных теориях:

I. теории синхронизации мод "медленным" насыщающимся поглотителем при динамическом насыщении усиления [11-14]. П. теории синхронизации мод "быстрым" насыщающимся поглотителем [15-18]; Ш. солитонной теории синхронизации мод [19, 20].

В основе этих теорий лежит то обстоятельство, что суммарное поле мод, которое представляет собой лазерный импульс, за счет модуляции либо нелинейных потерь, либо усиления создает некое динамическое, временное окно, в течение которого усиление в лазере преобладает над потерями. В первых двух случаях лазерный импульс формируется и стабилизируется исключительно за счет амплитудной дискриминации поля при насыщении усиления и/или потерь лазера. Согласно третьей теории, импульс формируется совместным действием фазовой самомодуляции (ФСМ) и дисперсии групповых скоростей (ДГС), за счет модуляционной неустойчивости поля, подобно тому, как это происходит с солитонами нелинейного уравнения Шредингера [21]. При этом действие инерционного насыщающегося поглотителя сводится к стабилизации солитона и к инициированию процесса формирования короткого импульса, поскольку протяженность окна усиления может превышать длительность импульса на порядок [20].

До конца 80-х годов основным источником фемтосекундных импульсов были лазеры на красителях, в которых механизм пассивной синхронизации мод был связан с балансом насыщения усиления и потерь [11-14]. С помощью таких лазеров были получены импульсы с длительностью вплоть до 27 фс при 10 мВт средней мощности [22].

Фемтосекундная техника приобрела новый импульс развития с разработкой и коммерциализацией Ti:sapphire лазерных кристаллов [23]. Спектр люминесценции этого кристалла простирается от 650 до 1100 нм, что позволяет получать импульсы с длительностью, примерно, в 2 цикла колебаний поля. Однако существующие методы синхронизации мод были неадекватны новому активному элементу, поскольку энергия насыщения лазерного перехода и время жизни верхнего состояния Ti:sapphire кристалла на два-три порядка больше, чем у красителей. Это значительно уменьшает влияние динамичного насыщения усиления при синхронизации мод инерционным насыщающимся поглотителем. Настало время для реализации идей, развитых в теории синхронизации мод "быстрым" насыщающимся поглотителем. Вскоре подходящий механизм безынерционной амплитудной самомодуляции импульса был обнаружен [24] и реализован в различных вариантах для Ti: sapphire лазеров [25-27]. Этот метод генерации ультракоротких импульсов фемтосекундного диапазона длительностей получил название "синхронизация мод на керровской линзе" (СМКЛ) [26]. Принцип действия данного механизма синхронизации мод основан на следующем эффекте: вследствие самофокусировки размер моды резонатора лазера зависит от интенсивности поля. Поэтому любая ограничивающая апертура вызывает амплитудную самомодуляцию короткого лазерного импульса, что при определенной конфигурации резонатора может привести к неустойчивости непрерывной генерации лазера относительно амплитудных флуктуации. В качестве такой апертуры может выступать диафрагма или щель, либо радиальное распределение усиления в лазерном кристалле. Первый вариант получил название "СМКЛ на жесткой апертуре", а второй - "СМКЛ на мягкой апертуре".

Тщательная компенсация дисперсии показателя преломления материалов, используемых в лазере, с помощью призменных компенсаторов [28] и фазомодулированных интерференционных зеркал [29] позволила получать импульсы длительностью около 6,5 фс непосредственно в лазерном генераторе [30]. С помощью техники сжатия лазерных импульсов во внешних волоконно-решеточных компрессорах были получены рекордно короткие лазерные импульсы с длительностью 4,9 фс [31].

Вместе с тем, такой механизм синхронизации мод не лишен серьезных недостатков. Поскольку заметный эффект изменения размера моды при СМКЛ достигается лишь вблизи границы одной из двух зон устойчивости резонатора, работа фемтосекундного лазера критична к настройке элементов лазера. Лазерный кристалл и зеркала резонатора должны быть расположены друг относительно друга с точностью порядка 10 мкм. Кроме этого, режим коротких импульсов имеет, в общем случае, жесткий старт. Все это ограничивает сферу применения такого лазера исследованиями в лабораторных условиях при активном надзоре со стороны экспериментатора за состоянием лазера.

Недостатки СМКЛ стимулировали поиски механизма формирования сверхкоротких лазерных импульсов совмещающего положительные качества как "медленного", так и "быстрого" насыщающегося поглотителя. В начале 90-х годов, было обнаружено, что поглощение экситонов полупроводниковых квантоворазмерных ям имеет низкий уровень насыщения, пикосекундные и субпикосекундные времена релаксации. Пикосекундный масштаб релаксации насыщающегося поглощения позволяет снизить порог режима синхронизации мод лазера по сравнению с механизмами искусственного "быстрого" поглотителя, где используется электронная керровская нелинейность, временной отклик которой равен нескольким фемтосекундам.

С другой стороны субпикосекундные времена релаксации поглотителя обеспечивают эффективную амплитудную самомодуляцию лазерного импульса вплоть до длительностей порядка нескольких сотен фемтосекунд. Использование таких полупроводниковых структур позволило получить фемтосекундные импульсы в любом месте зон устойчивости резонатора и при мягком старте режима синхронизации мод [32]. Вскоре были разработаны широкополосные варианты полупроводниковых нелинейных поглотителей, которые позволили генерировать импульсы длительностью много меньше времен релаксации поглотителя - 16 фс в Ti:sapphire лазере [33] и 56 фс для Cr:LiSAF лазера [34]. Быстрые времена релаксации поглотителей в этих экспериментах были равны, соответственно, 61 и 400 фс. Эти результаты свидетельствует о том, что существует какой-то дополнительный механизм сжимающий лазерный импульс до длительностей много меньше времен релаксации поглотителя. Авторы работ [19, 20] предложили теорию, согласно которой импульсы в таких лазерах формируются благодаря модуляционной неустойчивости типичной для шредингеровских солитонов. Роль насыщающегося поглотителя при этом сводится к стабилизации короткого импульса и обеспечению мягкого старта режима синхронизации мод. Данные теоретического анализа хорошо согласуются с экспериментами для Ti:sapphire лазера.

Однако применимость солитонной теории к широкополосным лазерам с многомодовой диодной накачкой требует дальнейшего исследования. В таких лазерах поперечный размер моды примерно в два раза больше, чем в лазерах с дифракционно-ограниченной накачкой. Кроме этого, керровская нелинейность у кристаллов семейства колквиритов (LiSAF, LiSGAF и др.) в четыре раза меньше по сравнению с сапфиром [35]. В целом у лазеров с диодной накачкой нелинейный фазовый сдвиг поля более чем на порядок меньше, чем у Ti:sapphire лазера и, следовательно, нельзя исключать влияние диссипативной нелинейности на формирование сверхкоротких лазерных импульсов. В наших работах [36 - 39] была развита теория диссипативных оптических солитонов, нелинейных волновых структур, формирование которых связано с взаимным действием насыщения усиления (или поглощения) и ДГС, т.е. их длительность не определяется временем отклика поглотителя. Отличительной особенностью этих автосолитонов является непрерывное смещение спектра, вызванное неоднородным во времени поглощением чирпованного импульса. Направление дрейфа центральной частоты диссипативного оптического солитона определяется знаками диссипативной нелинейности и ДГС. При компенсации дисперсии второго порядка с определенным знаком дисперсии третьего порядка спектр автосолитона самопроизвольно настраивается на частоту компенсации дисперсии [37], где формируется полностью стационарный импульс с минимально возможной длительностью в данной системе. Теоретические исследования [40] показали, что при сильном насыщении поглотителя и при учете фазовой самомодуляции в твердотельном лазере формируются импульсы, которые сочетают в себе свойства диссипативных оптических солитонов и солитонов нелинейного уравнения Шредингера. Этот теоретический результат нашел подтверждение в экспериментах с фемтосекундным Cr:LiSGAF лазером с диодной накачкой [41].

Развитие фемтосекундной лазерной техники позволило вплотную подступить к исследованию структурных изменений вещества при воздействии короткими лазерными импульсами. В работе [1] было показано, что структурные модификации практически всех типов прозрачных диэлектриков можно осуществлять с помощью одного 100-фс импульса с энергией ~ 1 мкДж. Такие импульсы могут быть получены с помощью лазерных комплексов, основанных на технике усиления чирпованных импульсов. В состав таких систем входят: фемтосекундный задающий генератор, лазеры накачки, регенеративный лазерный усилитель, решеточные системы сжатия и растягивания импульсов и электроннооптическая система синхронизации комплекса. В целом это дорогостоящее устройство, сложное в наладке и эксплуатации. Кроме того, частота следования импульсов обычно не превышает 10 кГц. Для создания трехмерных структур предпочтительнее более простой и надежный источник лазерных импульсов с более высокой частотой повторения. Например, фемтосекундный лазерный генератор. Типичный фемтосекундный лазер производит импульсы с частотой -100 МГц и энергией 1-10 нДж. Энергия импульса недостаточно велика, чтобы вызвать структурные изменения в матрице диэлектрика. Однако, ее вполне достаточно для создания трехмерных локализованных вариаций показателя преломления при двухфотонном поглощении в фотополимерах [42], фоторефрактивных кристаллах [43] и фотохромных материалах [44 - 48]. Использование двухфотонного резонанса поглощения и эффектов накопления малых изменений в веществе при облучении большим числом низкоэнергетичных фемтосекундных импульсов позволили осуществить контролируемую структурную модификацию в объеме чистого и допированного полиметилметакрилата [3 -10].

Основными целями диссертации являются теоретическое и экспериментальное исследование особенностей генерации сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем, создание подобных лазерных источников и исследование объемной модификации полимеров излучением фемтосекундного лазера с умеренной энергией и высокой частотой следования импульсов.

Новизна работы заключается в следующем:

1. Исследованы процессы формирования сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем в условиях, когда консервативная нелинейность не является доминирующим фактором. Обнаружен новый тип стационарных нелинейных волновых структур - диссипативные оптические солитоны.

2. Экспериментально исследованы особенности работы фемтосекундного Cr:LiSGAF лазера с диодной накачкой и насыщающимся брэгговским отражателем -перспективного компактного источника фемтосекундных лазерных импульсов с высокой средней мощностью (~1 Вт).

3. Экспериментально исследованы процессы объемной модификации ПММА, допированного спиропираном, излучением фемтосекундного Ti:sapphire с низкой (2-3 нДж) энергией и высокой (100 МГц) частотой повторения импульсов. Показана возможность контролируемой структурной модификации матрицы полимера излучением фемтосекундного лазера.

4. Обнаружен эффект самоканалирования фемтосекундного излучения в ПММА, допированном спиропираном, вызванный фотохимическими преобразованиями в среде при двухфотонном возбуждении красителя. Взаимодействие излучения с веществом аналогично нестационарной самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной нелинейностью и приводит к образованию устойчивых структур волноводного типа.

5. Экспериментально исследованы процессы объемной структурной модификации недопированного ПММА второй гармоникой излучения фемтосекундного Ti:sapphire лазера с низкой (3-30 пДж) энергией и высокой (100 МГц) частотой повторения импульсов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В оптической среде с инерционной диссипативной нелинейностью и ДГС реализуются устойчивые солитонные структуры, не имеющие аналогов в физике консервативных сред. Эти структуры, напоминающие волны ионизации или волны горения, представляют собой волновые пакеты со стационарной энергией и формой огибающей, центральная частота которых непрерывно смещается. В отличие от солитонов консервативных систем, диссипативные оптические солитоны существуют при любом знаке ДГС. При компенсации дисперсии второго порядка с определенным знаком дисперсии третьего порядка, тенденция диссипативных оптических солитонов к смещению своего спектра приводит к эффекту самонастройки на частоту, соответствующую наиболее коротким стационарным импульсам в данной среде.

2. В твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем существуют режимы генерации импульсов с длительностью много меньше времен релаксации поглотителя. Тип формирующегося в лазерах импульса определяется соотношением вкладов консервативной и диссипативной нелинейности и соответствует в предельных случаях шредингеровскому и диссипативному оптическому солитонам.

3. Взаимодействие излучения фемтосекундного Ti:sapphire лазера с полиметилметакрилатом, допированным молекулами спиропирана, приводит к самоканалированию лазерного пучка. Изомеризация красителя при двухфотонном возбуждении вызывает изменения показателя преломления среды. Накопление фотохимических преобразований от импульса к импульсу эквивалентно нестационарной самофокусировке длинного импульса в среде с инерционной нелинейностью. В результате эволюции лазерного пучка в допированном полимере формируются устойчивые структуры волноводного типа, заполненные изомеризованным красителем. Диаметр каналов ~ 5 мкм при длине 3-5 мм.

4. Острая фокусировка импульсов фемтосекундного Ti: sapphire лазера с низкой энергией и высокой частотой следования в объем полимеров способна вызывать контролируемые структурные преобразования в матрице вещества. В результате в области фокуса образуются сферические модифицированные области с размерами ~ 2 мкм, обладающие высоким контрастом оптических свойств. Двухфотонный резонанс поглощения либо внедренного в полимер красителя, либо хромофоров самого полимера позволяет реализовать нелинейные механизмы лазерной модификации матрицы вещества при пиковых интенсивностях менее 1 ТВт/см .

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Первая глава диссертации посвящена теоретическому исследованию режимов генерации фемтосекундных импульсов в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем. Она содержит четыре параграфа. В первом параграфе излагаются общие принципы теории пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах с инерционным насыщающимся поглотителем и выводится система уравнений, описывающая процесс генерации сверхкоротких лазерных импульсов. При условии малости изменений импульса поля за один обход резонатора проблема синхронизации мод в фемтосекундных лазерах эквивалентна задаче о распространении короткого оптического импульса в непрерывной среде, обладающей свойствами лазера. Солитонные решения системы уравнений соответствуют стационарной генерации лазера в режиме синхронизации мод.

Основные результаты исследований формулируются следующим образом:

1. Теоретически показано, что при синхронизации мод в твердотельных лазерах с инерционным, слабо насыщающимся поглотителем существуют режимы устойчивой генерации фемтосекундных импульсов, соответствующих новому типу нелинейных волн - диссипативным оптическим солитонам

2. Теоретически обнаружен эффект самонастройки частоты диссипативных оптических солитонов на точку компенсации дисперсии второго порядка. Показано, что при отрицательном знаке дисперсии третьего порядка генерация твердотельных лазеров с инерционным, слабо насыщающимся поглотителем, благодаря эффекту самонастройки, осуществляется на длине волны, соответствующей наиболее короткой длительности импульсов

3. Теоретически показано, что в твердотельных лазерах с инерционным, сильно насыщающимся поглотителем механизм формирования сверхкоротких импульсов определяется совместным действием консервативной и диссипативной нелинейностей. Выявлен параметр, определяющий тип генерируемых импульсов в различных лазерах

4. Впервые создан твердотельный фемтосекундный СпЫБОАР лазер с диодной накачкой и полупроводниковым насыщающимся брэгговским отражателем. Экспериментально показано, что в соответствии с разработанной теорией в лазере существуют режимы генерации фемтосекундных импульсов, сочетающих свойства диссипативных и консервативных солитонов

5. В экспериментах по воздействию импульсами фемтосекундного Ti:sapphire лазера с пиковой мощностью 20 кВт на полиметилметакрилат (ПММА), допированный спиропираном, обнаружено, что накопление продуктов фотохимической реакции при двухфотонном возбуждении допанта приводит к самоканалированию излучения и образованию устойчивых структур волноводного типа.

6. Экспериментально показано, что при острой фокусировке излучения фемтосекундного Ti: sapphire лазера с энергией импульсов ~3 нДж в объем ПММА, допированного спиропираном, происходят контролируемые структурные преобразования матрицы полимера. Высокий контраст оптических свойств и микронные размеры модифицированных областей делают данный метод перспективным для разработки оптических систем хранения информации, создания элементов интегральной оптики и фотонных кристаллов.

7. Экспериментально показано, что воздействие второй гармоникой излучения фемтосекундного Ti:sapphire лазера на недопированный ПММА при энергии импульсов 10 пДж приводит к контролируемой структурной модификации в объеме полимера. При совместном облучении фемтосекундным излучением второй гармоники и основной частоты лазера время образования структурной модификации заметно уменьшается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации проведено исследование ряда задач связанных с проблемами формирования сверхкоротких импульсов в твердотельных лазерах с инеруионным насыщающимся поглотителем и применения излучения фемтосекундных лазеров с низкой энергией и высокой частотой следования импульсов для объемной структурной модификации полимеров.

1. Glezer N., Milosavljevic M., Huang L., Finlay R.J., Her T.-H., Callan J.P., and Mazur E. Three-dimesional optical storage inside transparent materials // Opt. Lett 1996. -V. 21, - P. 2023-2025.

2. Korytin A.I., Bityurin N.M., Alexandrov A.P., Babina N.A., Smirnova L.A., and Sergeev A.M. High-Contrast Bitwise Three-Dimensional Optical Data Storage in Doped Polymers // Optical Memory and Neural Networks. 1998. - V. 7, № 1. - P. 11-18.

3. Bityurin N.M., Korytin A.I., Muraviov S.V. and Yurkin A.M. Second harmonic of Ti:sapphire laser as a possible tool for pointlike 3D optical information recording // Proc. of SPIE. 1999. - V. 3618 - P. 122-129.

4. Bityurin N.M., Malyshev A.Yu., and Korytin A.I. Ablation and modifications of dielectrics by ultra short laser pulses // in International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Technical digest Moscow - 1998. - paper ThZ34, - P. 311.

5. Басов Н.Г., Амбарцумян P.B., Зуев B.C., Крюков П.Г. и Летохов B.C., Распространение импульса света в нелинейно усиливающей и поглощающей среде // ЖЭТФ 1966.-Т. 51-С. 23.

6. Garmire Е.М. and Yariv A. Laser mode-locking with saturable absorbers // IEEE J. Quantum Electron. 1967.-V. 3, -P. 222-230.

7. Беспалов В.И. О предельных параметрах импульсов, генерируемых ОКГ в стационарном режиме с захватом мод. // Изв. ВУЗов-Радиотехника 1968. т. 11, № 2 -с. 320-322

8. Haus Н.А., Theory of mode locking with a slow saturable absorber // IEEE J. Quantum. Electron. 1975.-V. 11,-P. 736-746.

9. Летохов B.C. Генерация ультракоротких импульсов света в лазере с нелинейным поглотителем // ЖЭТФ 1968.-Т. 55, вып. 9 -С. 1077

10. Басов Н.Г., Крюков П.Г. Летохов B.C. и Матвеец Ю.А., Исследование формирования ультракороткого импульса при распространении в двухкомпонентной среде//ЖЭТФ 1969.,-Т. 56-С. 1546-1556.

11. Haus H.A., Theory of mode locking with a fast saturable absorber // J. Appl. Phys. 1975.-V. 46,-P. 3049-3058.

12. Haus H.A., Fujimoto J.G. and Ippen E.P. Sructures for additive pulse mode locking //J. Opt. Soc. Amer. В. -1991. V. 8, - P. 2068-2076.

13. Kartner F.X. and Keller U. Stabilization of solitonlike pulses with a slow saturable absorber // Opt. Lett. 1995. - V. 20, - P. 16-18.

14. Kartner F.X., Jungl.D., and Keller U. Soliton modelocking with saturable absorber: Theory and experiments // IEEE J. Sel. Top. Quantim. Electron. 1996.-V. 2,-P. 540-556

15. Agrawal G.P. Nonlinear Fiber Optics. New York: Academic, 1989.

16. Vladmanis J.A. and Fork R.L. Design consideration for a femtosecond pulse laser balansing self phase modulation, group velocity dispersion, saturable absorption, and saturable gain // ШЕЕ J. Quantum Electron. 1986.-V. 22,-P. 112-118.

17. Moulton P.F. Spectroscopic and laser characteristics ТкАЬОз // J. Opt. Soc. Amer. В 1986.-V. 3,-P. 125-132.

18. Spence D.E., Kean P.N. and Sibbet W. 60-fsec pulse generation from a self-mode-locked Ti:sapphire laser // Opt. Lett. 1991. - V. 16, - P. 42-44.

19. Keller U., 'tHooft G.W., Knox W.H., and Cunningham J.E., Femtosecond pulses from a continuously self-starting passively mode-locked 110-fs Ti:sapphire laser // Opt. Lett. 1991.-V. 16, P. 1022-1024.

20. Negus D.K., Spinelly L., Goldblatt N., and Feugnet G. Sub-100 femtosecond pulse generation by Kerr lens modelocking in Ti:sapphire // in Advanced Solid-State lasers. 1991.-V.10,-P. 120-124.

21. Salin F., Squier J., and Piche M. Modelocking of Ti:sapphire laser and self-focusing: A Gaussian approximation // Opt. Lett. 1991.-V. 16,-P. 1764-1766.

22. Fork R.L., Martinez O.E. and Gordon J.P. Negative dispersion using pairs of prisms // Opt. Lett. 1984. - V. 9, - P. 150.

23. Szipocs R., Ferencz K., Spielmann C., and Krausz F. Chirped multilayer coatings for broadband dispersion control in femtosecond lasers // Opt. Lett. 1994.-V. 19,-P. 201-203

24. Jung I.D., Kartner F.X., Matuschek N., Sutter D.H., Mourier-Genoud, Zhang G., Keller U., Scheuer V., Tilsch M., and Tschudi T. Self-starting 6.5-fs pulses from a Ti:sapphire laser// Opt. Lett. 1997.-V. 22,-P. 1009-1011.

25. Baltuska A., Wei Z., Pshenichnikov M.S., and Wiersma D.A. Optical pulse compression to 5 fs at 1 MHz repetition rate // Opt. Lett. 1997.-V. 22,-P. 102-104.

26. Smolorz S. and Wise F. Time-resolved nonlinear refraction in femtosecond laser media // Opt. Lett. 1998.-V. 23,-P.1381-1383.

27. Vanin E.V., Korytin A.I., Sergeev A.M., Anderson D., Lisak M., and Vazquez L. Dissipative optical solitons // Phys. Rev. A. 1994. - V. 49, № 4. - P. 2806-2811.

28. Ванин E.B., Корытин А.И. и Сергеев A.M. Самонастройка оптических солитонов в фемтосекундных генераторах света // Тезисы докладов конференции "Оптика лазеров". С.-Петербург. 1993. - Ч. 2. - С. 446.

29. Vanin E.V., Korytin A.I., Titov S.V., and Sergeev A.M. Phenomenon of self-tuning of optical solitons and its application to the femtosecond light generator // Proc. of SPIE 1994. - V. 2116, - P. 397-406,

30. Anderson D., Korytin A.I., Lisak M., Sergeev A.M., and Vanin E.V. Selftuning of dissipative solitons to zero-dispersion point // Phys. Rev. A. 1995. - V. 52, № 2. -P. 1570-1773.

31. Korytin A.I. Competition of soliton-like and dissipative mechanisms of mode-locking in lasers with a slow saturable absorber // направлен доклад на CLEO'2000

32. Yanovsky V.P., Korytin A.I., Wise F.W., Cassanho A., and Jenssen H.P. Femtosecond Diode-Pumped Cr:LiSGAF Lasers // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. -1996. QE-2, № 3. - P. 465-472.

33. Strickler J.H and Webb W.W. Three-dimesional optical data storage in refractive media by two-photon point excitation // Opt. Lett. -1991. V. 16, - P. 1780-1782.

34. Ueki. H., Kawata Y. and Kawata S. Three-dimensional optical bit-memory recording and reading with a photo refractive crystal: analysis and experiment // Appl. Opt. -1996. V. 35, - P. 2457-2465.

35. Dvornikov A.S., Malkin J. and Rentzepis P.M. Spectroscopy and kinetics of photochromic materials for 3D optical memory devices // J. Phys. Chem. 1994. - V. 98, -P. 6746-6752.

36. Dvornikov. A.S, Cokgor I., McCormick F., Piyaket R., Esener S., and Rentzepis P.M. Molecular transformation as a means for 3D optical memory devices // Optics Comm. 1996. - V. 128, - P. 205-210.

37. Dvornikov A.S. and Rentzepis P.M. Novel organic ROM materials for optical 3D memory devices // Optics Comm. 1997. - V. 136, - P. 1-6.

38. Toriumi A., Herrmann J.H. and Kawata S. Nondestructive readout of a three-dimensional photochromic optical memory with a near-infrared differential phase-contrast microscope // Opt. Lett. 1997. - V. 22, - P. 555-557.

39. Haus H.A. Parameter ranges for CW passive mode-locking // IEEE J. Quantum Electron. 1976. - QE-12, - P. 169-182.

40. Kartner F.X., Brovelli L.R., Kopf D., Kamp M., Calasso I., andKeller U. Control of solid-stste laser dynamics by semiconducter devices // Opt. Eng. 1995.-V. 34-P. 2024-2036.

41. Spielmann C., Curley P.F., Brabec Т., and Krausz F. Ultrabroadband Femtosecond Lasers//IEEE J. Quantum Electron. 1994.-V. QE-30-P. 1100-1114

42. Haus H.A. The master equtions of mode-locking // in Conference on Lasers and Electro-Optics, OS A Technical Digest 1999,-paper CTuAl.-P. 57

43. Korytin A.I. Effect of internal structure of femtosecond lasers with a slow saturable absorber on ultrashort pulse formation // направлен доклад на CLEO'2000

44. Pereira N.R. and Stenflo L. Nonlinear Schroedinger equation including growth and damping // Phys. Fluids 1977. V. 20, № 10. - P. 1733

45. Рабинович М.И. и Езерский А.Б. Динамическая теория формообразования -М: "Янус-К", 1998.

46. Frantz L.M. and Nodvik J.S. Theory of Pulse Propagation in a Laser Amplifier // J. of Appl. Phys. 1963. - V. 34, № 8. - P. 2346-2349.

47. Таланов В.И. Распространение коротких электромагнитных импульсов в активной среде // Изв. Вузов. Радиофизика 1964. - Т. 7, № 3 - С. 491.

48. Летохов B.C. Нелинейное усиление импульсов II. Скорость распространения // ЖТФ 1968. - Т. 38, № 5. - С. 856

49. Басов Н.Г. и Летохов B.C. Изменения формы импульса света при нелинейном усилении // ДАН СССР 1966. - Т. 167, № 1. - С. 73

50. Крюков П.Р. и Летохов B.C. Распространение импульса света в нелинейно усиливающей (поглощающей) среде // УФН 1969. - Т. 99, № 2 - С. 169

51. Григорьян B.C., Маймистов А.И и Скляров Ю.М. Эволюция световых импульсов в нелинейной усиливающей среде // ЖЭТФ 1988. Т. 94, вып. 3 - С. 174.

52. Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1988.

53. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. М.: Наука, 1974.

54. Ривлин Л.А. Отрицательное резонансное поглощение света в устойчивойсреде // ЖЭТФ 1964. - Т. 47, вып. 8. -С. 624.

55. Ривлин Л.А. Отрицательное резонансное поглощение электромагнитного сигнала в среде с двумя парами эквидинатантных уровней // Радиотехника и электроника 1965. - Т. 10. - С. 665

56. Akhmediev N.N., Ankiewich A., Lederer M.J. and Luther-Davies В. Ultrashort pulses generated by mode-locked lasers with either a slow or a fast saturable-absorber responce // Opt. Lett. 1998. - V. 23, - P. 280.

57. Sergeev A.M., Vanin E.V., Anderson D., Lisak M. and Quiroga-Teixeiro M. Interconversion of solitons in homogeneous, nonlinear dispersive gain media // J. Opt. Soc. Amer. В 1998. - V. 15, - P. 2806.

58. Захаров B.E. Коллапс ленгмюровских волн // ЖЭТФ. 1972. - Т. 62, вып. 5. - С. 1745.

59. Kopf D., Weingarten К. J., Brovelli L. R., Kamp M. and Keller U. Diode-pumped 100-fs passively mode-locked Cr:LiSAF laser with an antiresonant Fabry-Perot saturable absorber // Opt. Lett. 1994. - V. 19, - P. 2143-2145.

60. Fisher R.A. and Bischel W.K. The role of linear dispersion in plane-wave self phase modulation // Appl. Phys. Lett. 1973.-V. 23, № 12 -P. 661

61. Miller A., LiKamWa P., Chai B.H. and Van Stryland E.W. Generation of 150-fs tunable pulses in Cr:LiSrAlF6 // Opt. Lett. 1992. - V.17, - P.195-197.

62. Evans J.M., Spence D.E., Sibbet W., Chai B.H. and Miller A. 50-fs pulse generation from a self-mode-locked Cr:LiSrAlF6 laser // Opt. Lett. 1992. - V.17, - P. 14471449.

63. Rizvi N.H., French P.M.W. and Taylor J.R. Generation of 33-fs pulses from passively mode-locked Cr3+:LiSrAlF6 laser // Opt. Lett. 1992. - V. 17, - P. 1605-1607.

64. French P.M.W., Mellish R., Taylor J.R., Delfyett P.J. and Florez L.T. Mode-locked all-solid-state diode-pumped CnLiSAF laser // Opt. Lett. 1993. - V. 18, - P. 19341936.

65. Kopf D., Weingarten K. J., Brovelli L. R., Kamp M. and Keller U. Sub-50-fs diode-pumped mode-locked CnLiSAF laser with an A-FPSA // in Dig. Conf. Lasers and Electro-Optics. Washington DC, USA: OS A 1995. - paper CWM2.

66. Tsuda S., Knox W. H., de Souza E. A., Jan W. Y. and Cunningham J. E. Low-loss intracavity AlAs/AlGaAs saturable Bragg reflector for femtosecond mode locking in solid-state lasers // Opt. Lett. 1995. - V. 20, - P. 2406-2408.

67. Dymott M.J.P. and Fergusson A.I. Self-mode-locked diode-pumped CnLiSAF laser // Opt. Lett. 1994. - V. 19, - P. 1988-1990.

68. Dymott M.J.P. and Fergusson A.I. Self-mode-locked diode-pumped CnLiSAF laser producing 34-fs pulses at 42-mW average power // Opt. Lett. 1995. - V. 20. -P. 1157-1159.

69. Ruan S., Sutherland J.M., French P.M.W., Taylor R.J., Delfyett P.J. and Florez L.T. Pulse evolution in continuous-wave femtosecond Cr:LiSrAlF6 laser mode-locked with MQW saturable absorbers // Opt. Commun. 1994. - V. 110, - P. 341-346.

70. Balembois F.,Georges P., and Bran A. Quasy- and actively-mode-locked Cr3+:LiSAF6 laser // Opt. Lett. 1993. - V. 18, - P. 1730-1732.

71. Kopf D., Aus der Au J., and Keller U., Bona G.L. and Roentgen P. 400-mW continuous-wave diode-pumped Cr:LiSAF laser based on a power-scalable concept // Opt. Lett. 1995. - V. 20, - P. 1782-1784.

72. Smith L.K., Payne S.A., Kway W.L., Chase L.L., and Chai B. Investigations of of the laser properties of Cr3+:LiSrGaF6 // IEEE J. Quantum Electron. 1992. - V. 28, -P. 2612-2618.

73. Noginov M.A., Jenssen H.P., and Cassanho A. Characterization of tunable CrrLiSGAF laser material // in Dig.Conf. Lasers and Electro-Optics. Washington DC: OSA, 1993. - P. 246

74. Sorokina I.T. . Sorokin E., Wintner E., Cassanho A., and Jenssen H.P. A new CW mode-locked Cr:LiSrGaF // in Dig.Conf. Lasers and Electro-Optics Europe. Washington DC: OSA, - 1994. - paper CThN3

75. Sorokina I.T. Sorokin E., Wintner E., Cassanho A., Jenssen H.P., and Noginov M.A. Efficient continuous-wave TEMoo and femtosecond Kerr-lens mode-locked Cr:LiSGAF laser // Opt. Lett. 1996. - V. 21, - P. 204-206.

76. Yanovsky V.P. and Wise F.W. Kerr-lens mode-locked diode-pumped CnLiSGAF laser // Opt. Lett. 1995. - V. 20, - P. 1304-1306.

77. Falcoz F., Balembois F.,Georges P., and Brun A. Self-started self-mode-locked diode-pumped Cr.LiSAF laser // Opt. Lett. 1995. - V. 20, - P. 1874-1876.

78. Cr:LiSGAF laser // OS A Trends in Optics and Photonics on Advanced Solid-State Lasers.

79. Washington DC: OS A, 1996. - V. 1. - P. 261-264.

80. Auston D.H., McAfee S., Shank C.V., Ippen E.P., and Teschke O. Picosecond spectroscopy of semiconductors // Solid State Electron. 1978.-V. 21, P. 147-150.

81. Ma Y.-Z., Feldchtein F., Korytin A., Kiselev A., Miller M., and Gillbro T. Ultrafast energy transfer kinetics in Clorosomes from Cloroflexus aurantiacus // Brazilian Journal of Physics. 1996. - V. 26, № 2. - P. 530-542.

82. Babin A.A., Feldchtein F.I., Kiselev A.M., Korytin A.I., Sergeev A.M., and Zakharov Y. Solid state tunable laser for space-and-time-domain holography // Holography, Correlation Optics and Recording Materials. Proc. of SPIE 1993. V. 2108, - P. 345-346.

83. Khandokhin P.A., Koryukin I.V. Shirokov E.Yu., Feldcshtein F.I., and Korytin A.I. Power Spectra of a CW Titanium Sapphire Laser // Proc. of IX Conference on Laser Optics.-1998.- Paper FrA2-p01.

84. Pu A. and Psaltis D. High-density recording in photopolymer-based holographic three-dimensional disks // Appl. Opt. 1996. - V. 35, - P. 2360-2375.

85. Barachevsky V.A. Photoinduced birefrigence and its application // Proc. of SPIE 1995.-Y. 2208,-P. 184-195.

86. Kawata Y., Juskaitis R., Tanaka T., Wilson T. and Kawata S. Differential phase-contrast microscope with split detector for the readout system of a multilayered optical memory // Appl. Opt. 1996. - V. 35, - P.2466-2470.

87. E.Yablonovitch Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics // Phys. Rev. Lett. 1987.-V. 59,-P. 2059-2062.

88. Witzgall G., Vrijen R., Yablonovitch E„ Doan V., and Schwartz В .J., Single-shot two-photon photoresist for the production of the three-dimensional structures // Opt. Lett. 1998.-V. 23, P. 1745-1747.

89. Cho S., Kumagai H., Midorikawa K., and Obara M. Modification in single-mode optical fiber using high-intensity femtosecond lasers // in SPIE's LASE'99 Technical Abstract Digest 1999.-P. 79.

90. Kewitsch A.S. and Yariv A. Self-focusing and self-trapping of optical beams upon photopolymerization // Opt. Lett. 1996. - V. 21, - P. 24-26.

91. Петрищев E.A. и. Таланов В.И О нестационарной самофокусировке света // Квантовая электроника. 1971, - № 6. - С. 35-42.

92. Бутенин А.Б. и Коган Б.Я. Механизм разрушения прозрачных полимерных материалов при многократном воздействии импульсного лазерного излучения // Квантовая электроника 1976, - Т. 3, №. 5. - С. 1136.

93. Luk'yanchuk В., Bityurin N., Anisimov S., and Baeuerle D. The Role of Excited Species in UV-Laser Material Ablation, Part I: Photophysical ablation of organic polymers // Appl. Phys. A 1993. - V. 57, - P.367-374.

94. Bityurin N., Malyshev A., Luk'yanchuk В., Anisimov S., and Baeuerle D., Photophysical mechanism of UV laser action: the role of stress transients // Proc. SPIE 1996. - V. 2802, - P. 103-112.

95. Stuart B.C., Feit M.D., Rubenchik A.M., Shore B.W., and Perry M.D. Laser-induced damage in dielectrics with nanosecond to subpicosecond pulses // Phys. Rev. Lett. -1995. Y. 74, - P. 2248-2251.

96. Stuart B.C., Feit M.D., Herman S., Rubenchik A.M., Shore B.W., and Perry M.D. Optical ablation by high-power short-pulse lasers // J. Opt. Soc. Amer. В 1996. -V. 13, - P. 459-468.

97. Petite G., Dagusan P., Guizard S., and Martin P. Conduction electrons in wide-bandgap oxides: a subpicosecond time-resolved optical study // Nuclear Instuments and Methods in Phys. Res. B. 1996. - V. 107, - P. 97-101.

98. Милинчук B.K., Клиншпонт E.P. и Пшежецский С.Л. Макрорадикалы. М.: Химия. -1960.