(a) радиальный профиль интенсивности пучка, (b)-(e) продольное сжатие импульса

Газо-индуцированные оптические солитоны

Теоретически исследуя распространение мощных лазерных импульсов через оптически нелинейную газовую среду, французы L.Berge и A.Couairon открыли существование стабильных оптических импульсов, способных распространяться на значительные расстояния, в десятки раз превышающие типичную длину дифракционной дефокусировки [L.Berge and A.Couairon, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 1003]. Благодаря тому, что эти импульсы сохраняли свой поперечный профиль, они получили название газо-индуцированные солитоны.

Как известно, луч света конечных поперечных размеров неизбежно подвержен дифракционной расходимости, дефокусировке. Однако если речь идет о распространении света в оптически нелинейной среде, это свойство может, в принципе, нарушаться. Действительно, луч света, проходя через такую среду, взаимодействует с ней, меняет ее свойства, что, в свою очередь, сказывается на дальнейшем распространении светового импульса. Эффективно, макроскопически это выглядит как нарушение принципа суперпозиции, самодействие светового луча. И если речь идет о лазерном импульсе достаточно большой мощности, то эти эффекты могут оказаться очень значительными.

Одним из самых известных эффектов такого рода является самофокусировка лазерного луча. Если свойства вещества таковы, что показатель преломления растет с повышением мощности проходящего через среду излучения, то при распространении гауссовского лазерного пучка коэффициент преломления будет максимален на оси луча. Это приведет к тому, что начавшийся было расходиться луч снова соберется вблизи оси. Очевидно, для существования этого эффекта мощность импульса должна превосходить некоторое критическое значение. Если это превышение многократное - происходит волновой коллапс, схлопывание луча на ось, сопровождаемое необратимым разрушением импульса и диссипацией его энергии. Когда же мощность лазерного импульса лишь слегка больше критической, имеет место противоположный эффект - каналирование импульса, то есть распространение его на очень большие (по сравнению с длиной дифракционного расхождения) расстояния без значительной диссипации.

Такое каналирование - экспериментальный факт, известный уже несколько лет, см. [A.Braun et al, Opt.Lett. 20 (1995) 73], однако теоретическая картина явления складывается только в наши дни. А именно, сейчас считается, что благодаря многофотонной ионизации на оси луча возникает тонкий "шнур" плазмы, которая дефокурирует импульс, не давая ему коллапсировать. Таким образом импульс света как бы создает оптический волновод и сам же в нем распространяется. Однако что именно происходит при этом с самим световым импульсом, оставалось до сих пор неясным.

Именно ответу на этот вопрос и посвящена упомянутая выше статья [L.Berge and A.Couairon, Phys.Rev.Lett. 86 (2001) 1003]. Численно интегрируя уравнения, описывающие систему, авторы проанализировали эволюцию профиля светового импульса как в поперечном, так и в продольном направлении.

Эволюция поперечного размера импульса оказалась близка к ожидаемой: вначале луч самофокусируется, затем в какой-то момент зажигается плазменный шнур, который оказывает стабилизирующее воздействие. Радиальное распределение энергии импульса при этом быстро релаксирует в стационарный гауссообразный профиль. Поперечная же эволюция оказалась довольно необычной. Выяснилось, что импульс очень сильно сжимается вдоль направления движения, сохраняя, однако, при этом свою форму (см. Рисунок). В результате мы имеем устойчивый импульс света, который, распространяясь в газовой среде, сам себе "прокладывает дорогу" (зажигает плазму). Диссипация энергии при таком режиме распространения невелика и связана лишь с необходимостью инициировать зажигание плазмы передним фронтом импульса. Именно из-за этих свойств авторы работы и дали открытому объекту название газо-индуцированного солитона.