Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Комбинированный нелинейно-оптический отклик связанных и свободных электронов в газах и твердых телах является мощным ресурсом оптики сверхбыстрых процессов. Генерация мультиоктавного высокоэнергетичного суперконтинуума в различных частотных диапазонах является передовым приложением этого типа нелинейности, раскрывая потенциал технологий генерации сверхкоротких импульсов и позволяя обойти ограничения узкой полосы усиления лазерных кристаллов, прокладывая пути к петагерцовой электронике, обеспечивая необходимую ширину спектра для технологий частотных гребенок, позволяя осуществить генерацию субпериодных импульсов и реализовать новые методы аттосекундной спектрохронографии. Генерация яркого суперконтинуума, простирающегося вплоть до терагерцового диапазона, была продемонстрирована посредством взаимодействия лазерных импульсов ближнего ИК диапазона с газовыми средами. Решенная в Проекте задача дальнейшего уширения суперконтинуума в миллиметровый диапазон особенно интересна и важна для множества приложений радиоастрономии, удаленного зондирования, телекоммуникаций, медицины, радиопросвечивания при проверки безопасности. В настоящем Проекте показано, что оптическая нелинейность связанных и свободных электронов в быстроионизующейся среде приводит к широкому набору нелинейно-оптических механизмов генерации яркого широкополосного излучения в нескольких спектральных диапазонах. Наиболее ярким результатом является то, что нелинейный отклик быстроионизирующегося газа, управляемый двухцветным лазерным полем, состоящим из мощного сверхкороткого импульса среднего ИК диапазона миллиджоулевого уровня энергии и его второй гармоники, служит источником интенсивного мультидиапазонного суперконтинуума, спектр которого имеет рекордную на настоящее время ширину и простирается от 300 нм до 4.3 мм. (рисунок приведен в прилагаемом к Проекту файле) Экспериментально измеренные спектры мультидиапазонного суперконтинуума рекордной ширины от 300 нм до 4.3 мм (коричневые кривые) и их моделирование по модели поперечных туннельных фотоиндуцированных токов (желтая заливка). С учетом огромной ширины спектров, охватывающей несколько спектральных диапазонов, количественный экспериментальный анализ такого нелинейного отклика крайне сложен. В настоящем Проекте предложено уникальное решение задачи сверхширокополосных спектральных измерений во всём диапазоне суперконтинуума от ультрафиолетового до миллиметрового диапазона совместно с характеризацией пространственного профиля пучка и временной характеризацией наиболее важных с точки зрения практических приложений терагерцовой и миллиметровой частей суперконтинуума. Задача была решена с использованием большого набора методов, каждый из которых предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне. Спектральные измерения в диапазоне 300–1100 нм и 900–2200 нм проводились с использованием кремниевого и InGaAs спектрометра с точной калибровкой кусочно-спектральных измерений. Спектральный анализ части суперконтинуума в среднем ИК-диапазоне выполнялся с помощью сканирующего решеточного монохроматора с криогенно-охлаждаемым HgCdTe детектором. Временная характеризация импульсов среднего ИК-диапазона проводилась при помощи метода оптического стробирования с частотным разрешением на основе сигнала второй гармоники. Пространственная характеризация профиля пучка в среднем ИК-диапазоне проводилась при помощи пироэлектрической инфракрасной камеры на основе матрицы из кристаллов LiTaO​3. С целью определения спектральных характеристик излучения в терагерцовом диапазоне был собран автокоррелятор на основе кремниевой светоделительной пластинки и линии задержки. Автокорреляционная схема обеспечивает надежное восстановление спектра в терагерцовом диапазоне частот выше 2 ТГц. Более низкие частоты регистрировались методом электрооптического сэмплирования, в котором излучение суперконтинуума проходило через полипропиленовый фильтр для фильтрации широкополосного излучения в терагерцовом и миллиметровом диапазонах и сводилось для нелинейного взаимодействия в кристалле GaP с опорным пучком иттербиевого лазера. Метод электрооптического сэмплирования обладает более высоким отношением сигнал/шум на частотах ниже 0.1 ТГц, которое в случае автокорреляционной схемы снижается передаточной функцией кремниевой пластинки. Для пространственного анализа пучка излучения в терагерцовом и миллиметровом диапазоне использовалась LiTaO3 пироэлектрическая камера в комбинации с фильтрацией излучения различными материалами с известными спектральными характеристиками. С помощью набора калибровочных фильтров с известными высокочастотными отсечками в Проекте проведен количественный анализ спектрального распределения мощности излучения суперконтинуума в терагерцовой и миллиметровой областях. Выполненные эксперименты показали, что 85% мощности излучения суперконтинуума в терагерцовом и миллиметровом диапазонах сосредоточены в области частот ниже 14 ТГц, 72% – в области частот ниже 4 ТГц, 15% – в области частот ниже 2.4 ТГц и 8% – в области частот ниже 0.8 ТГц. Общая энергия излучения, сосредоточенная в терагерцовом и миллиметровом спектральных диапазонах, составила порядка 25 мкДж, из которой 0.4 мкДж приходится на миллиметровый диапазон. Анализ профиля пучка терагерцовой и миллиметровой части суперконтинуума совместно с проведенной энергетической характеризацией и оценкой длительности импульсов из автокорреляционных измерений позволяет вычислить напряженность поля в терагерцовом и миллиметровом диапазонах на оси пучка в области его фокуса, которая составила около 5 МВ/см. При этом напряженность поля в одном только миллиметровом диапазоне достигает более 100 кВ/см.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Сверхбыстрая нелинейная электродинамика лазерно-индуцированной плазмы открывает широкие возможности для исследования путей взаимодействия света с веществом. Одним из интересных и важных с практической точки зрения эффектов в области сверхбыстрой электродинамики является формирование терагерцовых и субтерагерцовых электромагнитных полей лазерно-индуцированными филаментами и плазмой в газах и твердых телах. Ключ к идентификации физики, стоящей за формированием низкочастотного вторичного излучения, лежит в характеризации спектральных свойств и пространственно-временной структуры микроволнового-терагерцового излучения. Анализ широкополосного низкочастотного электромагнитного поля, распространяющегося через атмосферный воздух, является одной из сложнейших проблем в междисциплинарной области исследования, стремительно развивающейся на основе электроники, оптики атмосферы, лазерной физики и задачах удаленного зондирования. На втором этапе выполнения Проекта мы на основе программы экспериментальных исследований и теоретического анализа фокусируем свое внимание на решении данной задачи. Разработав набор инструментов и методик измерения столь сложных электромагнитных полей, были проведены исследования зависимостей поляризационных и пространственных свойств генерирующегося вторичного излучения от параметров среды и лазерного излучения, формирующего плазменный источник. Экспериментальная работа сопровождалась анализом полученных данных на основе разрабатываемых аналитических и численных моделей взаимодействия интенсивного сверхкороткого импульса и плазмы. Впервые была замечена и разъяснена специфичная модуляция спектра генерирующихся излучением среднего ИК диапазона высоких гармоник, описываемая процессами многофотонного вынужденного комбинационного усиления и ослабления света при содействии молекулярных переходов газовой среды. В итоге, в результате работы над проектом были выявлены и количественно описаны фундаментальные физические процессы, лежащие в основе генерации сверхширокополосного микроволнового и терагерцового излучения лазерно-индуцированной плазмой тераваттных лазерных источников ближнего и среднего ИК диапазонов. Для достижения этих целей, мы сконструировали систему детектирования широкополосного микроволнового-терагерцового (СВЧ-ТГц) излучения, которая объединяет данные, получаемые с помощью широкополосной рупорной антенны, ячейки Голея, токового зонда на основе пояса Роговского и набора коаксиально-волновых переходов. Такая система детектирования позволяет определять поляризационные и угловые характеристики вторичного излучения в диапазоне от ~0.1 ГГц и вплоть до 300 ТГц и представляет собой инструмент для рассмотрения токов с различной пространственной симметрией в качестве источников микроволнового-терагерцового излучения. Экспериментальные исследования микроволнового-терагерцового излучения, генерируемого лазерно-индуцированной плазмой при помощи тераваттных импульсов ближнего и среднего ИК диапазонов, раскрывают сложную векторную электродинамическую картину генерации СВЧ-ТГц излучения в различных плазменных токах. В экспериментах с одночастотным индуцирующим плазму импульсом, было обнаружено, что пространственная мода СВЧ-ТГц излучения остается равномерной с характерной конической структурой вдоль всего чрезвычайно широкого спектра. Угловая дисперсия и пространственная мода задается условиями фазового синхронизма для излучения Черенковского типа. Структура пространственной моды согласуется с поляризационными свойствами, показывая, что преобладающую роль в излучении играет пондеромоторно индуцированные продольные плазменные токи. С другой стороны, в экспериментах с двухчастотными источниками структура пространственно-поляризационной моды изменялась вдоль спектра и зависела от давления газа, показывая смешанную симметрию лежащих в основе токов. В этом случае механизм генерации СВЧ-ТГц излучения сменился с пондеромоторных продольных токов на поперечные фотоионизационные токи. В ходе работы над Проектом была впервые продемонстрирована сверхбыстрая спектроскопия когерентного комбинационного рассеяния света гармоник высокого порядка от ближнего инфракрасного до вакуумного ультрафиолетового диапазона в присутствии лазерно-индуцированной плазмы. Традиционно комбиционные явления неупругого рассеяния света описываются в рамках нелинейной восприимчивости третьего порядка, оставаясь в пределах четырехволнового смешения. Некоторые недавние работы развивают обобщение рамановского эффекта на более высокие порядки восприимчивости, расширяя его на системы пятиволнового и шестиволнового смешения. Эти методы предоставляют большой потенциал для мультиразмерной спектроскопии молекулярных мод в сложных химических и биологических системах, включая спектроскопические исследования белков и генетического материала. В настоящем Проекте исследованы высокие порядки рамановского рассеяния и показано, что они предоставляют методику чувствительного химически селективного зондирования газов и плазмы. Экспериментально продемонстрирован новый метод сверхбыстрой лазерной спектроскопии, основанный на вынужденном рамановском рассеянии высоких гармоник (ВКР высоких гармоник) и некогерентном излучении лазерно-индуцированной плазмы. Были идентифицированы физические факторы, ограничивающие выход ТГц излучения в процессе оптического выпрямления (ОВ) сверхкоротких мультитераваттных лазерных импульсов в квадратично нелинейных кристаллах большой площади. Показано, что при тщательном управлении интенсивностью накачки, направленном на поддержание большей нелинейной длины, чем длина когерентности процесса ОВ, генерация широкополосного ТГц излучения на основе ОВ в кристаллах ниобата лития большой площади масштабируется по квадратичной зависимости от интенсивности. Это позволяет использовать метод ОВ лазерных импульсов сверхвысокой мощности для формирования ТГц излучения с плотностью энергии до 10 мкДж/см2. В наших экспериментах мы использовали излучение титан-сапфирового лазера на центральной длине волны 800 нм, длительностью 27 фс и пиковой мощностью 10 ТВт, чтобы сгенерировать ТГц импульсы с энергией до 10 мкДж с шириной спектра 6 ТГц в кристалле ниобата лития большой площади методом оптического выпрямления. Результаты исследований, выполненные за 2021 год в рамках второго этапа, опубликованы в 23 статьях в научных журналах УФН, ACS Photonics, Optics Letters, Physical Review A, Journal of Raman Spectroscopy, Journal of Biophotonics, Laser Physics Letters, Письма в ЖЭТФ и другие. Результаты работ были доложены на международных конференциях и симпозиумах Nonlinear Conference on Laser and Electro-Optics (Munich, Germany), Optics and Applications XII, International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT), European Conference on Biomedical Optics.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Одной из наиболее долгоживущих проблем в физике мощных сверхкоротких лазерных импульсов, является преодоление терагерцовой границы и распространение на миллиметровый и микроволновой диапазоны методов генерации низкочастотного излучения. Лазерно-плазменные источники микроволнового излучения являются бесценным средством для удаленного зондирования, поскольку они позволяют избежать сильного атмосферного поглощения, которое ограничивает доставку излучения на большие расстояния. Более того, генерация микроволнового излучения, основанная на лазерном пробое, позволяет интегрировать передовые инструменты сверхбыстрой оптики с современными методами микроволновой фотоники, предоставляя оригинальную платформу для беспроводной телекоммуникации, астрофизических исследований и навигации, систем контроля безопасности. В настоящем Проекте продемонстрировано, что управляемые мощным лазерным излучением среднего ИК диапазона плазменные токи становятся источником широкополосного излучения от микроволнового до терагерцового диапазона (называемого СВЧ-ТГц суперконтинуумом), обладающего широкой диаграммой направленности. Представлен метод точной спектральной и пространственной характеризация СВЧ-ТГц суперконтинуума, генерируемого в результате сверхбыстрой нелинейной динамики плазмы под действием мощных сверхкоротких лазерных импульсов среднего ИК диапазона. Проведенный в настоящем Проекте экспериментальный и теоретический анализ поляризационных и угловых свойств микроволнового-терагерцового излучения, испускаемого плазмой, индуцируемой в газе сверхкороткими лазерными импульсами среднего инфракрасного диапазона, демонстрирует сложную векторную электродинамическую картину генерации излучения за счет различных плазменных токов, а также является мощным инструментом, позволяющем различить токи с разной пространственной симметрией в процессе генерации излучения. В экспериментах с одночастотным лазером накачки пространственная мода излучения остается равномерной с характерной конической структурой вдоль всего чрезвычайно широкого спектра. Угловая дисперсия и пространственная мода задается условиями фазового синхронизма характерными для излучения Черенковского типа. Структура пространственной моды согласуется с поляризационными свойствами излучения, показывая, что преобладающую роль в его испускании играют пондеромоторно индуцированные продольные плазменные токи. В экспериментах с накачкой двухчастотным полем структура пространственно-поляризационной моды изменяется вдоль спектра и зависит от давления газа, демонстрируя смешанную симметрию лежащих в основе генерации излучения токов и показывая, что механизм генерации излучения сменился с пондеромоторных продольных токов на поперечные фотоионизационные токи. Физический анализ генерации гигагерцового излучения в наших экспериментах показал, что в основе генерации лежит черенковское излучение -- один из центральных эффектов релятивистской электродинамики, лежащий в основе широкого класса оптических явлений, в которых движущийся источник генерирует излучение с характерной конусообразной диаграммой направленности. Однако, когда траектория источника ограничена в пространстве, трансляционная симметрия его движения нарушается, что приводит к возникновению краевых эффектов, модифицирующих картину конической эмиссии. В рамках настоящего Проекта мы исследовали такие краевые эффекты в контексте их взаимосвязи с характеристиками вторичного излучения от лазерных филаментов. Продемонстрировано, что краевые эффекты в лазерных филаментах связывают черенковское излучение, генерируемое электрическими токами, с тормозным излучением и переходным излучением, делая эти три типа излучения физически неразличимыми. Расширяя эффект Черенкова на эванесцентные поля путем учета субсветовых электрических токов, мы разработали единую модель данного класса излучательных явлений, описывающую суб- и сверхсветовые излучающие токи. Наша модель успешно описывает спектральные и пространственные свойства вторичного излучения, наблюдаемые в экспериментах, и связывает низкочастотную отсечку спектра излучения с протяженностью филамента. Все исследования выполнены в России в лабораториях научной группы, выполняющей Проект. Все задачи текущего этапа выполнены, по результатам текущего этапа Проекта опубликовано 15 статей в ведущих рецензируемых журналах, таких как Optics Letters, Physical Review A, письма в ЖЭТФ и др.