Атом в интенсивных лазерных полях: от генерации когерентного коротковолнового излучения к нелинейным свойствам газовой среды
К.В. Львова,б,
С.Ю. Стремоухов†а,б,в аМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Физический факультет, Ленинские горы 1 стр. 2, Москва, 119991, Российская Федерация бНациональный исследовательский центр «Курчатовский институт», пл. акад. Курчатова 1, Москва, 123182, Российская Федерация вФизический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Ленинский проспект 53, Москва, 119991, Российская Федерация
Взаимодействие интенсивных лазерных полей с веществом сопровождается множеством явлений: от генерации когерентного излучения различных спектральных диапазонов (от терагерцового до мягкого рентгеновского) до создания пучков ускоренных заряженных частиц и микромодификации объёма и поверхности различных образцов. Для описания такого многообразия явлений к настоящему времени развит ряд теоретических подходов, которые, используя различные приближения к описанию данной сложной нелинейной задачи, позволяют объяснять некоторые конкретные аспекты такого взаимодействия. Развитые теоретические подходы рассматривают его как на микроскопическом уровне, изучая особенности взаимодействия одиночных атомов с лазерными полями, так и на макроскопическом, при котором анализируются нелинейные восприимчивости, описывающие нелинейную поляризацию среды при распространении лазерного излучения в ней. В настоящей работе представлен обзор некоторых наиболее часто применяющихся теоретических подходов к описанию отклика среды на микроскопическом (квантово-механическом) уровне, а также различные методы управления свойствами генерируемого когерентного излучения. Описана модель газовой среды, которая, с одной стороны, учитывает особенности отклика одиночных атомов, а с другой стороны, позволяет учесть эффекты фазового и квазифазового согласования при генерации излучения. Проанализировано влияние параметров среды на эффективность генерации и поляризационные свойства генерируемого излучения как в условиях фазового, так и квазифазового согласования. Представлено детальное описание аналитического метода расчёта нелинейной восприимчивости газовой среды. Полученные значения нелинейной восприимчивости среды произвольного порядка могут быть полезными при численном расчёте распространения лазерного излучения в веществе. Проанализированы различные каналы генерации излучения при вариации параметров лазерного поля.
Ключевые слова: взаимодействие интенсивного лазерного излучения с веществом, генерация гармоник высокого порядка, фазовый синхронизм, непертурбативная теория, нелинейная восприимчивость среды PACS:42.25.Ja, 42.65.Ky, 42.65.Re, 42.65.−k () DOI: URL: https://ufn.ru/ru/articles/2026/4/a/ Цитата: Львов К В, Стремоухов С Ю "Атом в интенсивных лазерных полях: от генерации когерентного коротковолнового излучения к нелинейным свойствам газовой среды" УФН196 333–368 (2026)
Поступила: 11 июля 2025, доработана: 23 сентября 2025, одобрена в печать: 28 сентября 2025
Ахманов С А (Ред.) Мощные пико- и фемтосекундные лазерные системы; вещество в сверхсильных световых полях (Итоги науки и техники, Сер. Современные проблемы лазерной физики, Т. 4) (М.: ВИНИТИ, 1991)
Делоне Н Б, Крайнов В П Атом в сильном световом поле (М.: Энергоатомиздат, 1984); Пер. на англ. яз., Delone N B, Krainov V P Atoms in Strong Light Fields (Berlin: Springer-Verlag, 1995)
Федоров М В Электрон в сильном световом поле (М.: Наука, 1991)
Коротеев Н И, Шумай И Л Физика мощного лазерного излучения (М.: Наука, 1991)
Делоне Н Б Взаимодействие лазерного излучения с веществом (М.: Наука, 1989)
Делоне Н Б, Крайнов В П Основы нелинейной оптики атомарных газов (М.: Наука, 1986)
Ильинский Ю А, Келдыш Л В Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом (М.: Изд-во МГУ, 1989); Пер. на англ. яз., Il'inskii Yu A, Keldysh L V Electromagnetic Response of Material Media (New York: Plenum Press, 1994)
Рапопорт Л П, Зон Б А, Манаков Н Л Теория многофотонных процессов в атомах (М.: Атомиздат, 1978)
Ахманов С А, Хохлов Р В Проблемы нелинейной оптики (Электромагнитные волны нелинейных диспергирующих средах) 1962-1963 (Сер. Итоги науки) (М.: ВИНИТИ АН СССР, 1964)
Boyd R W Nonlinear Optics (Oxford: Academic Press, 2008)
Ландау Л Д, Лифшиц Е М Квантовая механика: нерелятивистская теория (М.: Физматлит, 2002); Пер. на англ. яз., Landau L D, Lifshitz E M Quantum Mechanics. Non-Relativistic Theory (Oxford: Pergamon Press, 1991)
Moore С E, Merrill P W Partial Grotrian Diagrams of Astrophysical Interest (Washington, DC: National Bureau of Standards, 1968)
Stremoukhov S Y, Ganeev R A, Andreev A V X-Ray Lasers 2018. ICXRL 2018, Proc. of the 16th Intern. Conf. on X-Ray Lasers (Springer Proc. in Physics, Vol. 241, Eds M Kozlová, J Nejdl) (Cham: Springer, 2020) p. 99