Андреев Анатолий Васильевич
«Ультракороткие световые импульсы»
План курса:
В рамках курса слушатели познакомятся с физикой генерации излучения различных спектральных диапазонов, а также классическими и современными теоретическими подходами к описанию данного явления. Основной акцент в курсе делается на генерацию импульсного излучения ультракороткой длительности. Это связано с бурным развитием исследовательских установок, которые позволяют получать импульсы пико-, нано-, фемто- и аттосекундной длительности. В настоящее время как в России, так и в мире активно создаются такие установки класса мегасайенс как синхротроны и рентгеновские лазеры на свободных электронах, создаются исследовательские центры, оборудованные мощными лазерными системами, развиваются технологии, основанные на применении нелинейно-оптического отклика среды для генерации аттосекундных импульсов. В курсе обсуждаются теоретические подходы к описанию излучения, генерируемого свободными заряженными частицами, двигающимися с ускорением (синхротронного, ондуляторного и излучения лазера на свободных электронах, томсоновского и комптоновского рассеяния), а также подходы к описанию вынужденного излучения, генерируемого связанными электронами (лазерного излучения, суперконтинуума, генерации гармоник).
Целью настоящего курса является формирование комплексного представления у слушателей о механизмах генерации излучения в лазерах, при нелинейно-оптическом взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, при взаимодействии лазерного излучения с заряженными частицами (в первую очередь, электронами), в синхротронах различных поколений и лазерах на свободных электронах. Такое комплексное рассмотрение генерации излучения целой линейки современных установок позволяет продемонстрировать сходства и различия его параметров, выявить особенности таких систем.
План курса:
Лекция 1.
Введение, основные понятия. Вклад отечественной научной школы в создание источников когерентного излучения.
Лекция 2.
Современные источники когерентного излучения.
Лекция 3.
Задачи о движении электрона в постоянном электрическом, магнитном и электромагнитном полях.
Лекция 4.
Классическая теория синхротронного излучения. Мощность излучения заряда, движущегося по окружности постоянного радиуса. Спектрально-угловое распределение мощности (Формула Шотта).
Лекция 5.
Классическая теория синхротронного излучения. Поляризационные свойства синхротронного излучения. Особенности углового распределения синхротронного излучения. Особенности спектрального распределения мощности синхротронного излучения. Когерентность синхротронного излучения. Зависимость lnW (ln ω).
Лекция 6.
Квантовая теория синхротронного излучения. Критерий применимости классического подхода. Выражения для Е1/2 и Е1/5 и их физический смысл. Уравнение Дирака для электрона, двигающегося в постоянном и однородном магнитном поле.
Лекция 7.
Квантовая теория синхротронного излучения. Зависимость полной энергии синхротронного излучения с учетом квантовых поправок. Квантовые флуктуации движения электрона по орбите.
Лекция 8.
Ондуляторное излучение. Классическая задача о движении электрона в системе магнитов, создающих периодическое поле. Линейный ондулятор. Спектрально-угловое распределение средней мощности излучения в элемент телесного угла. Спектральный состав и поляризационные свойства излучения линейного ондулятора.
Лекция 9.
Ондуляторное излучение. Спиральный ондулятор. Задача о движении электрона в двумерном периодическом магнитном поле. Мощность, частота излучения, поляризационные свойства излучения спирального ондулятора.
Лекция 10.
Сравнение свойств синхротронного излучения, излучений линейного и спирального ондуляторов. Параметр магнитного отклонения, ондулятор, вигглер.
Лекция 11.
Поколения источников синхротронного излучения. Эмиттанс электронного пучка.
Лекция 12.
Лазер на свободных электронах. Физика генерации, условие фазового согласования, микробанчевание.
Лекция 13.
Методы улучшения свойств излучения рентгеновских лазеров на свободных электронах.
Лекция 14.
Применения излучения рентгеновских лазеров на свободных электронах к исследованию быстропротекающих процессов и биологических объектов.
Лекция 15.
Генерация излучения в лазере. Ширины линий усиления атомарных и молекулярных газов, жидкостей, твердых тел. Спектр мод поля в резонаторе. Предельная длительность импульса генерации.
Лекция 16.
Синхронизация мод поля в резонаторе. Профиль интенсивности импульсов генерации в лазере с принудительной синхронизацией мод. Самосинхронизации мод поля в резонаторе.
Лекция 17.
Динамика генерации ультракоротких импульсов в лазерах на красителях и твердотельных лазерах. Лазеры с насыщающимся поглотителем. Методы компрессии импульсов.
Лекция 18.
Полная (неукороченная) система уравнений Максвелла-Блоха для взаимодействия ультракоротких импульсов со средой двухуровневых атомов. Линейное приближение - модель Лоренца.
Лекция 19.
Уравнение дисперсии. Запрещенная область частот, ее ширина и зависимость от параметров среды.
Лекция 20.
Блоховский интеграл движения уравнений Максвелла-Блоха. Азимутальный и полярный углы Блоха и их физический смысл. Синфазная и квадратурная компоненты плотности тока поляризации.
Лекция 21.
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 22.
Спектрально-люминесцентные свойства красителей. Структура их энергетических уровней. Конфигурационная координата.
Лекция 23.
Зонная структура уровней в твердом теле. Плотность электронных состояний в зоне проводимости, концентрация носителей. Энергия Ферми. Донорные и акцепторные уровни.
Лекция 24.
Уравнения генерации молекулярных и твердотельных лазеров. Межзонная и внутризонная релаксация. Квазиравновесное распределение колебательно-вращательных состояний молекул. Квазиравновесное распределение в твердом теле.
Лекция 25.
Профиль полосы усиления на межзонных переходах. Условие инверсии. Связь предельной длительности импульса с шириной полосы усиления. Насыщающийся поглотитель. Механизм сокращения длительности в лазерах с насыщающимся поглотителем и предельная длительность импульса.
Лекция 26.
Усиления на межзонных переходах. Влияние дисперсии среды на предельную длительность генерируемого импульса.
Лекция 27.
Пондеромоторный потенциал: особенности взаимодействия сверхсильных пространственно-неоднородных лазерных полей с атомарными и молекулярными средами.
Лекция 28.
Нелинейно-оптический отклик атома в сверхсильном лазерном поле. Классическая теория процесса генерации высоких оптических гармоник. Собственные решения краевой задачи о движении электрона в суперпозиции сферически симметричного внутриатомного поля и поля внешней электромагнитной волны.
Лекция 29.
Атомный ток и спектр отклика атома. Одноуровневое приближение. Насыщение частоты отсечки спектра гармоник отклика атома. Взаимодействие атома с многочастотным лазерным полем. Возможности управления спектром отклика.
Лекция 30.
Зависимость спектра отклика атома от взаимной ориентации углового момента атома и поляризации лазерного поля. Продольный атомный ток.
Лекция 31.
Ионизация атома: многофотонная и туннельная ионизация, эффекты стабилизации ионизации и ускоренной ионизации Зависимость угловых спектров вылета фотоэлектронов от напряженности лазерного импульса.
Лекция 32.
Линейное рассеяние Томсона. Рассеяние на свободных покоящихся и движущихся зарядах.
Лекция 33.
Обратный комптон-эффект. Применение эффекта Комптона для генерации излучения.
Лекция 34.
Нелинейное рассеяние Комптона. Пондеромоторное уширение и методы его компенсации. Сильно нелинейный режим рассеяния. Перспективы развития комптоновских гамма-источников.
