КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-72-10109

НазваниеКаскадные спектрально-временные преобразования сверхкоротких лазерных импульсов -- новые методы генерации мультиоктавного суперконтинуума, терагерцового излучения и субпериодных световых импульсов

РуководительМитрофанов Александр Вячеславович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регионОбщество с ограниченной ответственностью "Международный центр квантовой оптики и квантовых технологий", Московская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ07.2018 - 06.2021

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-302 - Когерентная и нелинейная оптика

Ключевые словаКаскадные нелинейно-оптические преобразования, сверхкороткие лазерные импульсы, мультиоктавный суперконтинуум, генерация терагерцового излучения, компрессия мощных лазерных импульсов, субпериодные импульсы

Код ГРНТИ29.33.29


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Методы каскадных спектрально-временных преобразований лазерных импульсов являются ключевыми для нелинейной оптики и оптики сверхбыстрых процессов. Они играют центральную роль в продвижении лазерных технологий к новым спектральным диапазонам, к повышению мощности лазерных систем и к получению беспрецедентно коротких импульсов. В рамках предлагаемой программы научных исследований планируется разработать и экспериментально реализовать комплекс новых оптических методов для генерации субпериодных импульсов, т.е. импульсов, длительность которых составляет менее одного оптического периода, а также генерации терагерцового излучения и мультиоктавных суперконтинуумов на основе каскадных нелинейных пространственно-временных преобразований сверхкоротких лазерных импульсов. Для выполнения экспериментальной части предлагаемой программы исследований будет использован уникальный лазерный комплекс, служащий источником сверхкоротких импульсов сразу на нескольких длинах волн ближнего и среднего ИК-диапазона (от 1 до 4 мкм), созданный вносящей проект научной группой. Этот источник вплоть до настоящего момента является самым мощным (по пиковой мощности) источником фемтосекундных импульсов среднего инфракрасного диапазона. Для выполнения теоретической части исследований планируется проведение численного моделирования на основе решения обобщенного нелинейного уравнения Шредингера, описывающего процессы спектрально-временных преобразований импульса. Ожидается, что на основе предложенной программы исследований окажется возможным (1) разработать физические принципы новых оптических методов генерации субпериодных импульсов, (2) продемонстрировать новые возможности оптического формирования предельно коротких импульсов электромагнитного излучения на терагерцовых частотах, (3) продемонстрировать физические принципы генерации мультиоктавного суперконтинуума. Имеющийся у вносящей проект научной группы научный и технический задел включает в себя созданные и функционирующие в лаборатории научной группы уникальные лазерные источники сверхкоротких импульсов ближнего и среднего инфракрасного диапазона, а также разработанные группой квантовые и квазиклассические модели взаимодействия сверхкоротких импульсов с веществом. Результаты работы группы в областях, близких к предлагаемым исследованиям, опубликованы в более чем 80 научных публикациях, включая многочисленные публикации в журналах Nature Communications, УФН, Optica, Physical Review Letters, Scientific Reports и других научных журналах. Экспериментальная программа будет полностью выполнена в России, в лаборатории группы, вносящей данный проект. Коллектив исполнителей состоит из 8 человек (включая руководителя). Шесть участников коллектива - активные молодые ученые в возрасте до 39 лет.

Ожидаемые результаты
В Проекте будут достигнуты следующие результаты: 1. Будут разработаны физические принципы новых оптических методов генерации субпериодных импульсов и мультиоктавного суперконтинуума в каскадной схеме спектрально-временных преобразований импульса, совмещающей оптическое параметрическое усиление и солитонную самокомпрессию в полом фотонно-кристаллическом волноводе, заполненном инертным газом повышенного давления. 2. Будут продемонстрированы новые возможности оптического формирования предельно коротких импульсов электромагнитного излучения на терагерцовых частотах. Будет проведен анализ физических механизмов и сценариев генерации терагерцового излучения в схеме двухцветной филаментации мощных лазерных импульсов с длиной волны 3.9 мкм. 3. Будут продемонстрированы физические принципы генерации однопериодных импульсов и мультиоктавного суперконтинуума в каскадной схеме спектрально-временных преобразований импульсов с энергией на уровне десяти милиджоулей, последней ступенью которой служит полый капилляр, заполненный газом. В настоящее время генерация субпериодных импульсов, мощного терагерцового излучения и мультиоктавных суперконтинуумов являются слабоизученными и актуальными задачами оптики сверхбыстрых процессов. Предлагаемые в Проекте методы генерации такого излучения с помощью каскадных спектрально-временных преобразований лазерных импульсов позволят получить уникальные инструменты оптики сверхбыстрых процессов, фундаментальной физики сверхбыстрых взаимодействий света с веществом, откроют путь к предельному временному разрешению в исследованиях электронной динамики и субпериодной точности в формировании световых волн.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Генерация мультиоктавного суперконтинуума в антирезонансных фотонно-кристаллических волокнах В данной работе мы исследуем необычный физический сценарий солитонной динамики, в котором самокомпрессии солитонов сопутствует формирование оптической ударной волной, приводящий к самоукручению заднего фронта импульса, что позволяет генерировать необычайно короткие переходные (формирующиеся в определенной точке пространства) солитонные волновые формы. Отличительной чертой оптических ударных волн является их тенденция к укручению заднего края импульса, приводя к смещению их спектра в синюю область. Для солитонного самосжатия до суб-периодной длительности импульсов требуется волновод, обеспечивающий высокое пропускание и аномальную дисперсию в широкой спектральной полосе вокруг центральной длины волны лазерного импульса. Нами был выбран антирезонансный однокольцевой полый фотонно-кристаллический волновод (ФКВ). Было показано, что такой дизайн волновода является удобным для создания мульти-октавного суперконтинуума в ближнем и среднем инфракрасном диапазона. Полосы пропускания и дисперсия этих волокон контролируются размером сердцевины волокна и геометрией антирезонансной кольцевой структуры (Рис. 1). Численное моделирование показывает (Рис. 2), что при распространении импульса с исходной энергией около 35 мкДж по ФКВ при давлении аргона 16 бар на длине распространения 31 см наблюдается эффективное солитонное самосжатие, что приводит к формированию волновой формы длительностью 2.2 фс. Такая длительность соответствует 0.31 периоду осцилляции поля на центральной длине волны 2.1 мкм. Энергия данного пика находится на уровне 5 мкДж, что составляет около 30% энергии сжатого импульса на длине распространения 31 см и соответствует пиковой мощности 1.2 ГВт. На Рис. 2 (а) наблюдается хорошее согласие экспериментально измеренного спектра суперконтинуума на выходе из волокна при данных начальных параметрах и результатов численного моделирования. 2. Генерация мощных терагерцовых импульсов в схеме двухчастотной филаментации в газе импульсов среднего ИК диапазона. Механизм генерации ТГц излучения за счет ионизации среды (в том числе в схеме двухчастотной филаментации) на сегодняшний день по-прежнему широко обсуждается. На сегодняшний день подавляющее большинство экспериментов по генерации ТГц излучения было выполнено с использованием лазерных систем на основе титаната сапфира с центральной длиной волны 800 нм. Важной составляющей механизма генерации ТГц излучения является оптическая ионизации атомов среды и последующий разгон электронов лазерным полем, эффективность которого существенно зависит от длины волны исходного лазерного импульса. За последние несколько лет появилось несколько работ, в которых на основе численного моделирования показывается, что использование лазерных импульсов с центральной длиной волны в среднем и дальнем инфракрасном (ИК) диапазоне может приводить к значительному (от 10 до 100 раз) увеличению эффективности преобразования исходного излучения в ТГц часть спектра. Однако, насколько известно участникам проекта, в настоящее время существует единственная работа, где экспериментально продемонстрировано 30 кратное увеличение эффективности преобразования в ТГц диапазон при использовании лазерных импульсов с центральной длиной волны 1.8 мкм по сравнению с импульсами на длине волны 800 нм. В нашей научной группе в рамках данного проекта впервые (насколько известно авторам проекта) были проведены исследования эффективности генерации ТГц излучения в схеме двухчастотной филаментации с использованием мощных лазерных импульсов с центральной длиной волны 3.9 мкм. Исследованы различные режимы фокусировки, давления и типа газа, а также спектральные и временные свойства получаемых ТГц импульсов. На Рис. 3 показана схема эксперимента. Для генерации второй гармоники основного излучения использовался широкоапертурный кристалл AGS толщиной 0.5 мм размером 8х8 мм с антиотражающим покрытием на 3.9 мкм. Такая апертура кристалла позволяла использовать импульсы с энергией не более 8 мДж. На Рис. 4 (а) представлена зависимость энергии ТГц импульса от энергии исходного импульса. Видно, что с увеличением энергии исходного лазерного импульса выше 7 мДж наблюдается насыщение роста энергии ТГц импульса. Максимальная энергия ТГц импульса составила примерно 5 мкДж. Таким образом на сегодняшний день мы можем говорить о эффективности преобразования лазерных импульсов с центральной длиной волны 3.9 мкм в ТГц диапазон с эффективностью на уровне 10-3, что существенно превышает типовые эффективности при использование титан-сапфировых систем (на уровне 10-4). Url-адрес, посвященный проекту https://indicator.ru/news/2019/02/06/issledovat-processy-na-atomnom-urovne/

 

Публикации

1. - Новая технология позволяет исследовать релятивистские эффекты на лабораторном столе Индикатор, Статья от 06 февраля 2019 г. (год публикации - ).

2. Митрофанов А.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Рожко М.В., Рябчук С.В., Воронин А.А., Желтиков А.М. High-order harmonic generation from a solid-surface plasma by relativistic-intensity sub-100-fs mid-infrared pules Optics Letters, 43, 5571 (год публикации - 2018).

3. Степанов Е.А., Воронин А.А., Менг Ф., Митрофанов А.В., Сидоров-Бирюков Д.А., Рожко М.В., Глек П.Б., Ли Я., Федотов А.Б., Пужлис А., Балтушка А., Лиу Б., Гао Ш., Ванг Я., Ванг П., Ху М., Желтиков А.М. Multioctave supercontinua from shock-coupled soliton self-compression Physical Review A, 99, 033855 (год публикации - 2019).