ИСТИНА

В последнее десятилетие произошел значительный прогресс в разра- ботке твердотельных лазеров и лазерных систем, генерирующих фемто- секундные импульсы с пиковой интенсивностью 1016 – 1021 Вт/см2. На- пряженность электрического поля в этом случае превышает напряжен- ность внутриатомного поля в атоме водорода, поэтому динамика про- цессов, протекающих при взаимодействии лазерных импульсов сверхвы- сокой интенсивности с различными средами, существенно отличается от соответствующих процессов, протекающих в полях умеренной ин- тенсивности. Отклик среды становится существенно нелинейным. Рас- пространение импульса сопровождается генерацией высоких оптических гармоник, суперконтинуума, различными явлениями самовоздействия. Адекватное описание этих явлений требует более детального учета энер- гетической структуры атомов и молекул, дисперсионных свойств среды и отклика свободных электронов, появляющихся в результате процессов ионизации. Значительное внимание в последнее время привлекают исследования эффектов генерации запрещенной второй гармоники. Этот интерес име- ет как общефизический аспект, связанный с развитием теории нелиней- ных взаимодействий света с веществом, так и прикладной, связанный с разработкой новых методов спектроскопии сложных молекулярных сред. Достаточно широко распространено мнение, что генерация второй гармо- ники запрещена в макроскопических средах, обладающих центральной симметрией. Однако, это утверждение не является фундаментальным законом физики и справедливо лишь в определенных приближениях. В частности оно выполняется, когда среда взаимодействует с плоской волной, напряженность поля которой много меньше внутриатомной. Ес- ли падающая волна представляет собой суперпозицию даже двух плос- ких волн с различными волновыми векторами, то это утверждение ста- 3 новится заведомо несправедливым и речь может идти только о соотноше- нии между величиной отклика среды на частоте второй («запрещенной») и третьей (разрешенной) гармониках. Это соотношение растет с ростом напряженности поля. Наличие отклика на частоте второй гармоники для одиночного атома хорошо известно. Однако, этот отклик связан с дви- жением атомных электронов вдоль направления волнового вектора пада- ющей волны и потому в макроскопической среде не выполняется условие синхронизма, т.е. условие эффективной перекачки энергии волны накач- ки в энергию волны на частоте второй гармоники. Появление отклика на частоте второй гармоники в центрально-симметричных макроскопиче- ских средах связано со следующими основными причинами. Одна из них достаточно прозрачна. Если среда взаимодействует с суперпозиционным полем, обусловленным, например, интерференцией двух плоских коге- рентных волн, то условие синхронизма может быть выполнено. Вторая причина менее тривиальна и связана с тем, что традиционный аппарат теории возмущений, используемый для расчета отклика атома, основан на разложении волновой функции атомных электронов по собственным функциям невозмущенного атома. Такое разложение не учитывает эф- фектов изменения симметрии волновых функций атомных электронов во внешнем поле и может быть применимо лишь для слабых полей. Хотя очевидно, что суперпозиция центрально-симметричного атомного поля и поля линейно-поляризованной внешней волны не обладает централь- ной симметрией. В силу фундаментальной значимости задачи о взаимо- действии с одиночным атомом большая часть диссертации посвящена исследованию данной модели. Эти исследования позволяют понять и интерпретировать микроско- пические механизмы нелинейности отклика атома на воздействие им- пульсов сверхвысокой интенсивности. Поскольку решение трехмерной задачи о движении электрона в суперпозиции кулоновского поля и поля внешней электромагнитной волны связано со значительными трудностя- ми, представляет интерес развитие непертурбативных методов анализа 4 взаимодействия электромагнитного поля с атомом, имеющим конечное число энергетических уровней. Обращение к микроскопическому объек- ту позволит нам выявить основные возможности предлагаемого подхода, которые впоследствии могут быть обобщены на макроскопические среды по известной схеме. Кроме общенаучного интереса обращение к микроскопическому объ- екту имеет и практический интерес в связи с созданием в последнее вре- мя атомных ловушек, позволяющих работать с одиночными атомами или с системой небольшого количества слабо взаимодействующих атомов. Основное внимание в последней главе диссертационной работы, как раз уделяется исследованию взаимодействия с полем системы двухуров- невых атомов, находящихся в микрорезонаторе. Найдено новое солитон- ное решение. Исследован вопрос о возможности применения к подобной задачи гамильтонова формализма. Актуальность данной тематики обу- словливается возрастанием интереса к модели двухуровневого атома в связи бурным развитием оптических методов записи, хранения и обра- ботки информации. Цели диссертационной работы 1. Теоретическое исследование и построение микроскопической тео- рии отклика на частоте второй гармоники, обусловленного зависи- мостью электромагнитного поля от пространственной координаты. 2. Развитие теории процессов взаимодействия одиночного водородо- подобного атома с субатомным, атомным и сверхатомным полем и определение основных закономерностей указанных процессов ме- тодом математического моделирования. 3. Исследование специфики процесса генерации высоких гармоник без учета ионизации и с ее учетом. 4. Разработка гамильтонова формализма к анализу задачи о взаимо- действии поля с ансамблем двухуровневых атомов в микрорезонаторе.