ИСТИНА

Филаментация мощного фемтосекундного лазерного излучения на настоящий момент является одной из наиболее интенсивно развивающихся областей нелинейной оптики. Кроме расширения понимания нелинейно-оптических процессов, происходящих при взаимодействии высокоинтенсивного (I~10^13-10^14 Вт/см2) лазерного излучения с веществом фемтосекундная филаментация нашла применение в таких областях как генерация ТГц излучения, зондирование атмосферы, молниевая защита, микрообработка вещества и т.д. Из-за исключительной сложности процесса филаментации область его проявлений очень широка: в зависимости от параметров лазерного импульса, условий фокусировки и нелинейно-оптических и дисперсионных свойств материала, в среде могут быть реализованы различные режимы филаментации: одиночная, множественная или суперфиламентация. Каждый из этих режимов характеризуется различным энерговкладом в среду, реализуется при определенном наборе вышеупомянутых параметров, и сопровождается процессами самокомпрессии лазерного импульса, генерации суперконтинуума и т.д. и пост-эффектами (генерация ударных волн, модификация вещества). Экспериментальные методы исследования филаментации весьма разнообразны, наиболее популярными являются интерферометрические, фотоэмиссионные методы и методы, основанные на измерении изменения сопротивления среды, вызванного плазмой филамента. Также для исследования свойств филамента могут быть использованы методы, основанные на измерениях параметров индуцированных филаментацией ударных волн или кавитационных пузырей. Такая методика даёт непосредственное представление об энерговкладе в среду. Для регистрации ударных волн используются либо оптические методики, либо оптоакустические методы. Предметом данного проекта является пионерское исследование филаментации мощного фемтосекундного лазерного излучения (энергия до 2мДж, длительность 200 фс, длина волны 1240 нм) с помощью акустической томографии при регистрации широкополосными пьезопреобразователями.

Nowadays the filamentation of a powerful femtosecond laser pulse is one of the most intensively developing areas of nonlinear optics. In addition to broadening the understanding of nonlinear optical processes of laser-matter interaction, femtosecond filamentation has found application in such areas as THz generation, atmosphere sensing, lightning protection, laser microprocessing, etc. Due to the exceptional complexity of the filamentation, the range of its manifestations is very wide: depending on the laser pulse parameters, focusing conditions and the material properties, different filamentation regime could be realized in the medium (single, multiple or superfilamentation). Each of these regimes is characterized by various energy deposition to the medium and by processes accompanying the filamentation (self-compression of the laser pulse, supercontinuum generation, etc.) and post effects (shock waves generation, modification of matter). There are variety of experimental methods for filamentation investigation: the most popular are interferometric methods, methods photoemission methods and methods based on measuring the change in the medium resistance caused by filament plasma. In addition, for filamentation characterization methods based on measurements of the parameters of filament-induced shock waves can be implemented. This technique gives direct measurements of the energy delivery to the media. To register shock waves, either optical or optoacoustic techniques. The main goal of this project is a pioneering investigation of the femtosecond filamentation with acoustic tomography

1. Будет разработана методика и реализована экспериментальная схема для получения акустической томографии филамента 2. Будет реализована экспериментальная схема для оптической регистрации индуцированных фемтосекундным филаментом пост-эффектов 3. Будут исследованы характерные акустические томограммы филамента, полученные в различных режимах филаментации: одиночной, множественной и суперфиламентации 4. Будут исследованы механизмы генерации ударных волн в случае одиночной, множественной и суперфиламентации 5. Будут исследованы зависимости энерговклада в среду в зависимости от реализуемого режима филаментации.

Научный коллектив имеет богатый задел по экспериментальному исследованию фемтосекундной филаментации и её пост-эффектов в конденсированных средах. Так, с помощью методики теневой фотографии нами впервые была показано возможность образования в воде суперфиламента при острой фокусировке фемтосекундного лазерного импульса ближнего ИК диапазона [1]. Также нами была исследована динамика индуцированных фемтосекундным импульсов пост-эффектов (кавитационных пузырей и ударных волн) [2,3]. Кроме того, у научного коллектива имеется богатый опыт по исследованию филаментации фемтосекундного импульса в газах высокого давления и сверхкритических флюидах [4,5]. Также научный коллектив имеет необходимые методики для восстановления акустической томограммы в воде, так как предложенная для воздуха методика может быть легко перенесена для воды [6]. Научный коллектив имеет широкой набор экспериментального оборудования. Фемтосекундный филамент планируется возбуждать лазерным импульсом хром-форстеритовой лазерной системы (длительность импульса 150-200 фс, длина волны 1240 нм, энергия до 2мДж, частота повторения 10Гц), а также синхронизованный с наносекундной точностью Nd:YAG лазер для осуществления методики теневого фотографирования зоны воздействия в воде. В распоряжении коллектива имеются спектрометры на видимый и ИК (до 2.5 мкм) диапазоны, фотодекторы (от 300 нм до 10 мкм), акустический приемники с частотой пропускания 30 МГц, и 60 МГц), набор оптики и оптомеханики для фокусировки излучения и его сбора на регистрируемой аппаратуре. Имеющиеся в распоряжении коллектива ресурсы позволяют проводить широкий комплекс исследований по различным направлениям проекта.

1. В рамках проведенный работы впервые проведен комплексный подход, основанный на оптоакустической томографии и теневой фотографии. Он позволяет восстановить трехмерный профиль удельного энерговклада в среде. Поперечное разрешение данного метода составляет 10мкм а продольное 1.5 мкм. Созданы экспериментальные установки для проведения исследований по взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса с веществом (1 и 2 задачи данного проекта) a. В рамках проведенной данного подхода была разработана и впервые экспериментально апробирована методика оптоакустической томографии для исследования взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с конденсированной средой. Ключевыми особенностями данной методики являются: i. Измерения характеристик индуцированных филаментом акустических волн, которые являются индикаторами величины переданной в среду энергии лазерного импульса, т.е. энерговклада. ii. Возможность определения реализуемого в среде режима филаментации. iii. Возможность определения энерговклада в среду iv. Разрешение порядка 10 мкм b. В рамках данного подхода использовалась методика теневой фотографии, которая позволяла восстановить профиль лазерно-индуцированной плазмы. Пространственное разрешение данной методики составляет порядка 1.5 мкм. c. Произведена калибровка оптоакустического детектора, позволяющая по амплитуде сигнала, определить энергию лазерно-индуцированных ударных волн 2. Показано, что профиль оптоакустического сигнала дает информацию о реализуемом в среде режиме филаментации: моно- мульти- или суперфиламентация. Данный метод позволяет разрешить отдельные филаменты, если расстояние между ними более 10 мкм. 3. Впервые произведена оптоакустическая томография фемтосекундного филамента в воде. А также оптоакустическая томография лазерно-индуцированной плазмы в различных режимах фокусировки. 4. Впервые проведена оценки ударной волны, генерируемой при фокусировке в воду фемтосекундного лазерного импульса. В случае острой фокусировки она достигает (при уровне энергии 300мкДж) 8мкДж, 0.6мкДж в режиме суперфиламентации и 2нДж в режиме моно- и мультифиламентации. 5. Продемонстрировано, что амплитуда регистрируемой акустической волны характеризует величину энерговклада. В условиях острой фокусировки он составляет порядка 20кДж/см^3, в случае суперфиламентации ~1кДж/см^3 и меньше 500Дж/см^3 для моно и мультифиламентации