Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

DISPERSION- AND DIFFRACTION-INDUCED EVOLUTION OF LONGITUDINAL POLARIZATION FORCES IN ULTRASHORT LASER PULSES

Zheleva, M.-G., Dakova-Mollova, A., Slavchev, V., Dakova, D., Iordanova, E. and Kovachev, L.

Author Information
1Zheleva, M.-G. 2,4Dakova-Mollova, A. ORCID logo SCOPUS logo, 3,4Slavchev, V. ORCID logo SCOPUS logo, 2Dakova, D. SCOPUS logo, 1Iordanova, E. ORCID logo SCOPUS logo, 4Kovachev, L. ORCID logo SCOPUS logo,
1Georgi Nadjakov Institute of Solid-State Physics, Bulgarian Academy of Sciences, 72 Tsarigradsko Shosse Blvd., 1784 Sofia, Bulgaria
2Physics and Technology Faculty, University of Plovdiv “Paisii Hilendarski”, 24 Tsar Asen Str., 4000 Plovdiv, Bulgaria
3Department of Medical Physics and Biophysics, Medical University – Plovdiv, 15-A Vasil Aprilov Blvd., 4002 Plovdiv, Bulgaria
4Institute of Electronics, Bulgarian Academy of Sciences, 72 Tzarigradsko Shosse, 1784 Sofia, Bulgaria
Corresponding author: maria-gabriela.zheleva@issp.bas.bg

ABSTRACT

In this work, we solve the (3+1)D paraxial equation, including second-order dispersion and diffraction. The dynamics of the longitudinal polarization forces generated by ultrashort laser pulses are analyzed. In this way, analytical evolution laws for the pulse envelope, force density, and potential are derived. In our previous work, the polarization force was investigated under the first-order dispersion approximation and in the absence of diffraction. Stationary solutions for the force density and potential in 3D space were obtained. The main aim of the present work is to uncover the temporal evolution of the longitudinal polarization force and potential, depending on the diffraction and dispersion of a femtosecond laser pulse. This research provides valuable guidance for developing and designing laser accelerators, with potential applications in laser-driven neutral particle technologies

Keywords: Attractive longitudinal optical force, neutral particles, femtosecond laser pulses, (3+1)D paraxial equation, diffraction, dispersion

UDC: 535.14, 535.214

    1. Ashkin, A. (1970). Acceleration and trapping of particles by radiation pressure. Physical Review Letters, 24(4), 156-159.
      doi:10.1103/PhysRevLett.24.156
    2. Ashkin, A., Dziedzic, J. M., Bjorkholm, J. E., & Chu, S. (1986). Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles. Optics Letters, 11(5), 288-290.
      doi:10.1364/OL.11.000288
    3. Gordon, J. P. (1973). Radiation forces and momenta in dielectric media. Physical Review A, 8(1), 14-21.
      doi:10.1103/PhysRevA.8.14
    4. Albaladejo, S., Marqués, M. I., Laroche, M., & Sáenz, J. J. (2009). Scattering forces from the curl of the spin angular momentum of a light field. Physical Review Letters, 102(11), 113602.
      doi:10.1103/PhysRevLett.102.113602
    5. Simpson, S. H., & Hanna, S. (2011). Application of the discrete dipole approximation to optical trapping calculations of inhomogeneous and anisotropic particles. Optics Express, 19(17), 16526-16541.
      doi:10.1364/OE.19.016526
    6. Gong, L., Gu, B., Rui, G., Cui, Y., Zhu, Z., & Zhan, Q. (2018). Optical forces of focused femtosecond laser pulses on nonlinear optical Rayleigh particles. Photonics Research, 6(2), 138-143.
      doi:10.1364/PRJ.6.000138
    7. Kovachev, L. M. (2022). Radiation forces and confinement of neutral particles into the pulse envelope: New regime of collision ionization. Optik, 269, 169943.
      doi:10.1016/j.ijleo.2022.169943
    8. Kovachev, L. M., Iordanova, E., Yankov, G., & Angelov, I. P. (2025). Ultrashort laser-induced nuclear reactions: Initiating decay of helium nuclei and subsequent fusion reactions. ACS Omega, 10(3), 2415-2420.
      doi:10.1021/acsomega.4c10437
    9. Agrawal, G. P. (2006). Nonlinear fiber optics (4th ed.). Academic Press.

    У цій роботі розв’язано (3+1)D параксіальне рівняння з урахуванням дисперсії та дифракції другого порядку. Проаналізовано динаміку поздовжніх поляризаційних сил, що генеруються ультракороткими лазерними імпульсами. Отримано аналітичні залежності, що описують еволюцію огинаючої імпульсу, густини сили та потенціалу. У нашій попередній роботі поляризаційну силу досліджували в наближенні дисперсії першого порядку та за відсутності дифракції; було отримано стаціонарні розв’язки для густини сили та потенціалу в тривимірному просторі. Основною метою цієї роботи є дослідження часової еволюції поздовжньої поляризаційної сили та потенціалу залежно від дифракції та дисперсії фемтосекундного лазерного імпульсу. Результати дослідження є важливими для розробки та проєктування лазерних прискорювачів і можуть знайти застосування в технологіях керування нейтральними частинками за допомогою лазерного випромінювання.

    Ключові слова: поздовжня оптична сила притягання, нейтральні частинки, фемтосекундні лазерні імпульси, (3+1)D параксіальне рівняння, дифракція, дисперсія

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0