4. Нелинейное отражение двух одновременно падающих на границу раздела импульсов из малого числа колебаний с разными центральными частотами.

В настоящем разделе работы формулу (7) применим для анализа нелинейного отражения суперпозиции двух фемтосекундных гауссовых или супергауссовых импульсов, имеющей нормированный вид:

(11)

где Е₁ и Е₂ – амплитуды первого и второго импульсов соответственно, и – их нормированные временные длительности, – нормированный поперечный размер второго импульса, – нормированная задержка импульсов по времени, ₁ = 2с / ₁ и ₂ = 2с / ₂ – центральные частоты импульсов, ₁ и ₂ – их центральные длины волн, – временная задержка импульсов, m – целое число. Далее будем полагать амплитуды и поперечные размеры импульсов равными друг другу (Е₂ / Е₁ = 1, ₂ / ₁ = 1).

На рис. 2 иллюстрированы изменения структуры электрического поля и пространственно-временного спектра суперпозиции двух гауссовых (m = 1) импульсов с центральными длинами волн λ₁ = 780 нм и λ₂ = 390 нм, пространственно-временными параметрами ρ₁ = ρ₂ = 10 ∙ λ₁ (D = 0.25 · 10^-3) и τ₁ = τ₂ = 20 фс ( ) и пиковой интенсивностью I = 5 ∙ 10¹³ Вт/см² (F = 9.7 · 10^-3), которые падают из воздуха на кварцевое стекло без временной задержки (  = 0).

Рис. 2. Нормированные поле Е_ref (а) и пространственно-временной спектр G_ref (б) (логарифмический масштаб) отраженного излучения при падающей на границу раздела воздух – кварцевое стекло суперпозиции полей двух гауссовых импульсов одинаковой длительности; нормированные поля (в) и спектры (г) импульсов, отраженных на основных (1, 2) и кратных (3, 4, 5, 6) частотах.

На рис. 2(а) и 2(б) приведены электрическое поле Е_ref и спектр G_ref отраженного излучения. Из рисунков видно, что основным нелинейным эффектом является генерация импульсов на кратных и комбинационных частотах 3ω₁(совпадающей с 2ω₂ – ω₁), 2ω₁ + ω₂, 2ω₂ + ω₁ и 3ω₂.

На рис. 2(в) иллюстрированы волновые пакеты с разными центральными комбинационными частотами. Из рисунка видно, что импульсы, отраженные на кратных и комбинационных частотах, имеют меньшую длительность по сравнению с импульсами, отраженными на основных частотах ω₁ и ω₂ (примерно в раза). Их спектральная полуширина как по временной оси, так и по пространственной (рис. 2(г)) в соответственное число раз больше. Причем с увеличением центральной частоты волновых пакетов на комбинационных частотах полуширина их пространственных спектров не изменяется, что свидетельствует о различии дифракционной расходимости отраженного излучения на разных частотах. Энергия импульсов на кратных и комбинационных частотах составляет величину порядка 10^-6 от энергии падающего излучения.

Рассмотрим отражение суперпозиции двух импульсов (11) с теми же параметрами, что и на рис. 2, но с длительностью второго импульса в два раза меньшей τ₂ = 10 фс ( ). Из рис. 3(а) и 3(б), где приведены электрическое поле Е_ref и спектр G_ref отраженного излучения, видно, что неодинаковая длительность импульсов приводит к различию ширин спектров излучения разных комбинационных частот.

На рис. 3(в) и рис. 3(г) представлены временные и пространственные характеристики излучения на комбинационных частотах по отдельности. Из рисунков видно, что длительности отраженных на этих частотах импульсов, во-первых, как и на рис. 2(в), короче длительности падающих, а, во-вторых, на этот раз не равны между собой (рис. 3(в)). Соответственно, как было упомянуто выше, полуширины временных спектров импульсов на разных частотах тоже отличаются (рис. 3(г)). На кривой 3 наблюдается провал спектральной плотности, который, по-видимому, объясняется наложением комбинационной частоты 2ω₂ – ω₁ на утроенную 3ω₁.

Рассмотрим отражение суперпозиции двух импульсов (11) опять почти со всеми теми же параметрами, что и на рис. 2, но на этот раз форму импульсов будем полагать супергауссовой (m = 2) и предположим наличие между ними временной задержки Δt  = 10 фс ( ).

На рис. 4(а) и 4(б) приведены электрическое поле Е_ref и спектр G_ref отраженного излучения. На рис. 4(в) представлены электрические поля импульсов, отраженных на комбинационных и кратных частотах. Из рисунков видно, что из-за совпадения комбинационной частоты 2ω₂ – ω₁ с утроенной 3ω₁, отраженное на этой частоте излучение представляет собой два сдвинутых друг относительно друга на 13 фс импульса, причем длительность одного из них примерно в 4 раза меньше длительности падающих импульсов. Длительность и поперечные размеры импульсов, отраженных на других частотах (3, 4, 5, 6), как и в предыдущих случаях, меньше длительности и поперечных размеров импульсов, отраженных на основных частотах (1, 2) (рис. 4(г)).

С увеличением задержки t время взаимодействия двух импульсов уменьшается, что может приводить к значительному уменьшению длительности и амплитуды импульсов, отраженных на комбинационных частотах. Иллюстрация этого эффекта приведена на рис. 5, на котором по сравнению с рис. 4 временная задержка между импульсами увеличена и составляет Δt = 18 фс ( ). Как видно из этого рисунка, длительность импульсов, отраженных на комбинационных частотах 2ω₁ + ω₂ и 2ω₂ + ω₁ уменьшилась. Причем спектр этих импульсов имеет форму, близкую гауссовому распределению поля (а не супергауссовому как для кратных частот 3ω₁ и 3ω₂). Излучение, отраженное на частоте 3ω₁, представляет собой два отстоящих друг от друга примерно на 15 фс импульса.

Рис. 3. Нормированные поле Е_ref (а) и пространственно-временной спектр G_ref (б) (логарифмический масштаб) отраженного излучения при падающей на границу раздела воздух – кварцевое стекло суперпозиции полей двух гауссовых импульсов разной длительности; нормированные поля (в) и спектры (г) импульсов, отраженных на основных (1, 2) и кратных (3, 4, 5, 6) частотах.

Рис. 4. Нормированные поле Е_ref (а) и спектр G_ref (б) отраженного излучения при падающей на границу раздела воздух – кварцевое стекло суперпозиции полей двух супергауссовых импульсов одинаковой длительности с временной задержкой Δt = 10 фс; нормированные поля (в) и спектры (г) импульсов, отраженных на основных (1, 2) и кратных (3, 4, 5, 6) частотах.

Рис. 5. Нормированные поле Е_ref (а) и спектр G_ref (б) отраженного излучения при падающей на границу раздела воздух – кварцевое стекло суперпозиции полей двух супергауссовых импульсов одинаковой длительности с временной задержкой Δt = 18 фс; нормированные поля (в) и спектры (г) импульсов, отраженных на основных (1, 2) и кратных (3, 4, 5, 6) частотах.