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/

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Генерация мощных терагерцовых импульсов с использованием лазерных импульсов среднего ИК диапазона в схеме двухчастотной ионизации газа Первый этап выполнения проекта был посвящен демонстрации внешней компрессии лазерных импульсов среднего инфракрасного (ИК) диапазона в антирезонансном фотонно-кристаллическом волокне, заполненном газом высокого давления, а также генерации мощных терагерцовых (ТГц) импульсов при ионизации газа лазерными импульсами среднего инфракрасного диапазона в присутствие поля второй гармоники. Во второй год выполнения проекта была выполнена подробная характеризация генерируемых ТГц импульсов, построена численная модель генерации таких импульсов, а также измерены временные формы сигнала микроволнового диапазона частот 1-18 ГГц, генерируемого при ионизации среды мощными лазерными импульсами среднего ИК диапазона. Одной из важных задач, которая была решена, является измерение спектра ТГц импульса в высокочастотном диапазоне (5-50 ТГц). Для измерения спектра в этом диапазоне не может быть применена методика электрооптического сэмплирования (ЭОС) из-за неизбежного наличия фазового рассогласования между групповой скоростью вспомогательного импульса (1030 нм) и фазовой скоростью измеряемого ТГц импульса. Для измерения спектра ТГц импульса с помощью автокорреляционной методики нами был собран интерферометр Майкельсона, в котором в качестве делительной пластинки использовался кремниевый веэйфер толщиной 300 мкм. На основании этих измерений, путем фурье-преобразования, был получен спектр ТГц импульса в диапазоне частот от 0.07 ТГц до 50 ТГц. Данный спектральный диапазон представляет собой часть общего сверхширокополосного суперконтинуума (СК), генерируемого при ионизации воздуха двухчастотным полем, простирающегося от микроволнового диапазона длин волн (ММВ) до ультрафиолетового диапазона. Спектр поля в области от 50 ТГц частот до ММВ содержит максимум на частоте 1 ТГц (соответствует длине волны 300 мкм). Длительность импульса, соответствующего волновой форме в данной спектральной области, оценена нами из автокорреляционной кривой на уровне 70 фс, что соответствует примерно половине периода колебания поля на центральной частоте 6.7 ТГц. Центральная длина волны данной волновой формы составляет 45 мкм. При фокусировке параболическим зеркалом с фокусным расстоянием 10 см данное излучение демонстрирует поперечный профиль в зоне перетяжки пучка, близкий к гауссовому, с радиусом пучка 1.3 мм (FWHM), что было измерено при помощи пироэлектрической камеры. При энергии 20 мкДж и длительности 70 фс напряженность поля в спектральном диапазоне от 50 ТГц до ММВ на оси пучка в области фокуса можно оценить на уровне 5 МВ/см. Два механизма могут быть ответственны за генерацию сверхширокополосного суперконтинуума. Одним из механизмов является волновое смешение на соответствующем порядке нелинейной поляризации, описываемое пертурбативной теорией. В частности четырех волновое смешение на в присутствие двухчастотного поля может приводить к генерации новых компонент на утроенной частоте , а также на частотах в ТГц диапазоне , что принято называть оптическим выпрямлением. Вторым механизмом является быстрая (на масштабах полуцикла поля) ионизация среды и ступенчатое нарастание плотности свободных электронов. Сверхбыстрая модуляция электронного тока является источником оптической нелинейности, приводящей к генерации широкополосного континуума. Выполненное нами численное моделирование показало, что генерация сверхширокополосного СК является совместным действием обоих механизмов. В области спектра от ближнего ИК до УФ оба механизма приводят к генерации отдельных пиков на частотах, кратных фундаментальной и дают сравнимый вклад. Однако в области ТГц и ММВ основной вклад вносит механизм модуляции электронного тока, а вклад пертурбативного механизма оказывается на три порядка меньше. Таким образом мы продемонстрировали генерацию мощных ТГц импульсов при ионизации газа мощными фемтосекундными импульсами с центральной диной волны 3.9 мкм в присутствие поля второй гармоники. Применение импульсов среднего ИК диапазона позволило продемонстрировать рекордно высокую эффективность преобразования энергии лазерных импульсов в энергию терагерцового импульса на уровне 10-3. На момент написания отчета нам известна только одна работа, выполненная на схожей лазерной системе среднего ИК диапазона, где была продемонстрирована еще более высокая эффективность преобразования (на уровне единиц процентов) в несколько отличающейся экспериментальной геометрии. Нами было проведено измерение пространственных, временных и спектральных характеристик терагерцового импульса. Энергия получаемого терагерцового импульса в результате различных измерений была оценена нами на уровне 20 мкДж в диапазоне 0.07 ТГц – 50 ТГц. Примечательно, что генерация излучения в терагерцовом диапазоне длин волн сопровождается также генерацией непрерывного сверхширокополосного суперконтинуума, покрывающего диапазон от миллиметровых длин волн до ультрафиолета. 2. Генерация и детектирование микроволнового и СВЧ излучения при ионизации газа мощными лазерными импульсами среднего ИК диапазона. Продолжая тематику исследования свойств сверхширокополосного суперконтинуума, генерируемого при ионизации газа мощными импульсами среднего ИК диапазона, мы провели измерения амплитуды электромагнитных волн в СВЧ диапазоне. Экспериментальная схема измерений не претерпела практически никаких изменений по сравнению со схемой для эффективной генерации ТГц импульсов. Наиболее важным отличием является использование только фундаментальной частоты лазерного импульса (3.9 мкм), поэтому нелинейный кристалл AGS был извлечен из пучка. Детектирование сигнала СВЧ излучения производилось сбоку от искры под разными углами к оси распространения лазерного пучка. Для детектирования микроволнового излучения использовался коаксиально-волноводный переход (КВП), настроенный на область частот 8-12 ГГц (без рупора), а также широкополосная рупорная антенна, оперирующая в диапазоне 0.7ГГц – 18 ГГц. Выход КВП или широкополосной антенны подключался непосредственно к осциллографу реального времени Tektronix DPO75002SX с полосой пропускания 33 ГГц, при помощи которого выполнялась запись детектируемого сигнала электромагнитного поля с шагом дискретизации 5 пс (200 ГСэмпл/сек). Измерение сигналов при разной ориентации коаксиальной жилы КВП относительно плазменной искры позволяло получить информацию о состоянии поляризации микроволнового излучения. Приведен пример волновой формы импульса микроволнового диапазона, регистрируемый широкополосной антенной при давлении воздуха в ячейке 60 мбар. Расстояние от плазменной искры до антенны составляло 1.5 метра, детектирование происходило в направлении около 47 градусов от линии распространения лазерного излучения. Видно, что волновая форма состоит практически из одного основного пика, длительность которого по полувысоте находится на уровне 35 пс, что составляет всего пять интервалов дискретизации, при этом спектральный диапазон данного СВЧ сигнала перекрывает весь приемный диапазон антенны и вероятно выходит за его пределы в области высоких частот. Была измерена зависимость СВЧ сигнала, измеряемого КВП и широкополосной антенной от давления газа в ячейке. При плавном понижении давления от атмосферного наблюдается минимум СВЧ сигнала в области 300-400 мбар и затем рост амплитуды сигнала более чем на порядок при давлении около 20-40 мбар, после чего амплитуда снова начинает уменьшаться. На данный момент, насколько известно авторам проекта, не существует законченной теории генерации СВЧ излучения при ионизации вещества мощными лазерными импульсами и понимания наблюдаемой зависимости СВЧ сигнала от давления газа. Понимание механизмов генерации важно не только с точки зрения возможности применения таких источников микроволнового излучения. Генерация микроволнового излучения может наблюдаться также и при абляции поверхности твердого тела мощными лазерными импульсами. Интерес к исследованиям механизмов СВЧ излучения в такой геометрии особенно возрос в последние годы вместе с широким распространением мультитераваттных и петаваттных лазерных систем и связан с генерацией мощного паразитного СВЧ излучения при взаимодействии ультраинтенсивных (на уровне 1020 Вт/см2 и выше) лазерных полей с твердотельными мишенями, которое оказывается источником высокочастотных помех и может вызывать сбои в работе лабораторного оборудования.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1. Генерация микроволнового (СВЧ) и терагерцового (ТГц) излучения при ионизации газовой среды мощными лазерными импульсами среднего инфракрасного (ИК) диапазона (центральная длина волны 3.9 мкм). Измерено угловое распределение микроволнового излучения со спектральным разрешением в диапазоне 1-50 ГГц, а также поляризационные свойства излучения в зависимости от давления газа в ячейке. Показаны различия в поляризационных свойствах СВЧ излучения в случае одночастотного поля 3.9 мкм и в случае двухчастотного поля 3.9 мкм при добавлении поля его второй гармоники на длине волны 1.9 мкм. Продемонстрирована зависимость спектральных характеристик СВЧ излучения и его поляризационных свойств от давления газа в газовой ячейке, что говорит о преобладании различных механизмах генерации в случае низкого давления (1- 100 мбар) и высокого давления (100-1000 мбар). Экспериментально установлено, что в одноцветной схеме реализуется генерация радиально поляризованного СВЧ излучения, тогда как двухцветная схема позволяет синтезировать преимущественно линейно поляризованные низкочастотные волновые формы. Показано, что в рамках модели продольных и поперечных плазменных токов физическому сценарию генерации СВЧ сигнала в одноцветной схеме отвечает пондеромоторное возбуждение продольных токов, а в двухцветной схеме – смешанное действие как продольных, так и поперечных токов, взаимная роль которых в значительной мере определяется давлением газа. 2. Генерация гармоник высокого порядка. Проведены эксперименты по генерации высоких гармоник в газе мощными лазерными импульсами среднего ИК диапазона. Для генерации высоких гармоник (ГВГ) в газе мощными лазерными импульсами среднего ИК диапазона была собрана вакуумная установка, состоящая из двух вакуумных камер. В первой камере производилась генерация гармоник в газовом сопле, а во второй измерение спектральных свойств генерируемого вторичного излучения. Детектирование вторичного излучения с длинами волн 250 нм и короче проводилось при помощи детектора на основе микроканальных пластин с фосфорным экраном. Изображение с фосфорного экрана считывалось при помощи ПЗС камеры, подключенной к компьютеру и синхронизованной с приходом лазерного импульса. В измерительной камере для правильного функционирования MCP детектора поддерживался вакуум не хуже, чем 10-6 мбар. В камере взаимодействия давление могло варьироваться в зависимости от давления в газовом сопле и находилось на уровне 10-2 мбар. Для разделения вакуумных объемов, а также блокирования фундаментального излучения и низкочастотной части спектра, использовались фильтры на основе тонкой фольги (толщина 250 нм) из различных материалов, что позволяло производить дополнительную спектральную селективность. Использовались Al, Zr, C, Si фильтры с полосами пропускания 17-70 эВ, 70-200 эВ, 60 – 280 эВ, 20-100 эВ, соответственно. Апертура фильтров составляла 10 мм, что позволяло поддерживать разницу давления в 10-2 мбар в камерах без разрушения фильтров. Зарегистрированы сигналы с энергией фотонов более 17 эВ (начало области прозрачности Al фильтра) при критически высоких потоках газа. Давление в сопле достигает 1 атм, а остаточное давление в камере взаимодействия около 10-2 мбар. Также были проведены эксперименты по генерации гармоник в протяженном капилляре длиной 3 см с диаметром около 500 мкм. В этом случае регистрировался сигнал, проходящий через алюминиевый фильтр (полоса пропускания 17-70 эВ). При использовании криптона при давлении свыше 60 мбар также наблюдался сигнал после циркониевого Zr фильтра (полоса пропускания 70 – 200 эВ ), что позволяет говорит о том, что достигалась энергия фотонов на уровне 70 эВ. Энергия лазерных импульсов в этих экспериментах составляла 17 мДж. Были также зарегистрированы особенности в спектре тех высоких гармоник, которые попадают в резонанс колебательных и вращательных переходов в молекулярном газе. Так как процесс ГВГ существенно чувствителен к ориентации и структуре молекулы, он может рассматриваться как сверхбыстрый спектроскопический инструмент, чувствительный к фотоэлектронным токам, управляемым лазерным полем с последующим рассеиванием электронов на родительских ионах. Данный эксперимент показывает, что явление вынужденного комбинационного рассеяния и поглощения может быть интегрировано с целым классом процессов оптики сильных световых полей и служить новым инструментом спектроскопических исследований со сверхбыстрым временным разрешением и химической селективностью. Такие спектроскопические измерения обладают аттосекундным временным разрешением и высоким пространственным разрешением на уровне длины волны де Бройля рассеиваемого электрона. Компоненты комбинационного рассеяния в спектре гармоник могут нести дополнительную информацию о симметрии молекул и помогать реконструировать молекулярный потенциал и молекулярные орбитали. Более того, спектральные компоненты, ответственные за вращение молекулы, могут помочь определить ориентацию молекулы и являться временным маркером ориентации молекулы в ходе спектроскопических исследований типа накачка- зондирование. 3. Уширение спектра импульсов среднего ИК диапазона в полом волноводе и генерация импульсов длительностью близкой к длительности одного периода поля. В данных экспериментах роль накачки для полого микроструктурированного волокна (МКВ) выполняло излучение фемтосекундных импульсов среднего ИК диапазона – холостая волна оптического параметрического усилителя, перестраиваемого в области 1600-2200 нм. Центральная длина волны составляла 1950 нм, с длительностью около 80 фс и энергией до 200 мкДж. При помощи нелинейного f-2f - интерферометра показано, что данные импульсы обладают стабильной фазой несущей относительно огибающей. Уширение спектра холостой волны производилось при распространении лазерного излучения в полом однокольцевом антирезонансном световоде, изготовленном в Тяньцзиньском университете. В основе структуры данного волокна лежит полый световод, оболочка которого представляет собой слой, состоящий из тонких капилляров. Распространение света в таких волокнах происходит за счёт антирезонансного отражения, которое является результатом многолучевой интерференции излучения на тонких стенках капилляров. Малая толщина стенок капилляров (t = 590 нм) обеспечивает существование широких зон пропускания, поддерживающих излучение с шириной спектра более октавы. Характеризация выходного излучения выполнялась с использованием камеры и спектрометров, покрывающих весь интересующий спектральный диапазон. Определение временной огибающей импульсов производилось при помощи метода интерферометрии спектральной фазы для прямого восстановления электрического поля SPIDER. В работе была применена модификация метода с использованием кросс-взаимодействия, а также узкополосных фильтров для получения спектрального сдвига. Эффективность нелинейных эффектов, приводящих к уширению спектра, зависит как от интенсивности распространяющегося излучения, так и от давления заполняющего МКВ газа, причем нелинейная восприимчивость третьего порядка пропорциональна плотности ρ (давлению p) инертного газа χ^((3))∝ρ∝p. Кроме этого, большое значение имеет эффективная длина нелинейного взаимодействия, которая в данном случае равна длине полого волновода. Были проведены экспериментальные исследования по спектральному уширению в волноводе, заполненном аргоном при давлении 8 бар. При малом значении энергии накачки нелинейные процессы в волноводе практически не влияют на выходной импульс, но при повышении энергии спектр импульсов начинает уширяться за счёт явления фазовой самомодуляции. Так как дисперсия групповых скоростей волновода отрицательна, уширение спектра сопровождается явлением временной самокомпрессии, приводящей к уменьшению длительности выходного импульса. При энергии входного излучения, соответствующей энергии излучения 27.5 мкДж на выходе из МКВ, реализуется максимальное уширение спектра, причем его ширина превышает величину одной оптической октавы, простираясь от 1100 нм до 2700 нм, а 35% энергии содержится в основном пике 1.5-периодного импульса длительностью 9.6 фс.