ИСТИНА

Взаимодействие мощного когерентного длинноволнового электромагнитного излучения с веществом в режиме, когда импульс излучения содержит несколько осцилляций поля, а напряженность поля существенно превышает пороги пробоя статическим электрическим полем. В проекте речь идет об ИК излучении (длина волны 1,2-3,3 мкм) и о терагерцевом излучении (длина волны порядка 100 мкм). Для получения такого излучения будет осуществлена разработка новых подходов к созданию высокоэффективного (десятки процентов) параметрического преобразования тераваттного излучения современных фемтосекундных лазерных источников на сапфире с титаном в ИК диапазон спектра с последующей нелинейно-оптической конверсией в терагерцевый диапазон.

The main objectives of the project are: 1) the development of new approaches to the nonlinear optical conversion of terawatt peak power laser radiation at a wavelength of 0.8 μm in a wavelength range of 1.2-3.3 μm based on parametric processes, as well as technology that provides scaling of the results at large peak pump power up to hundreds of terawatts. In this case, the formation of ultrashort pulses (up to single-cycle) with an extremely high peak power is assumed; and 2) converting the received IR radiation into the terahertz range (with the formation of powerful pulses in one field oscillation) using, among other things, a domestic base for the growth of nonlinear organic and other crystals and two-color optical breakdown plasma pumping by mid-IR pulses. The attainability of the tasks set and the possibility of obtaining the declared results are determined by the participants' significant experience in all the tasks set, the developed technical base for the implementation of the tasks and the experience of its use. In addition, we conducted numerical evaluations and designed the future parametric converter, there is a clear understanding of the key requirements for each of the converter stages. We have also begun work on testing nonlinear organic crystals on a multi-gigawatt femtosecond laser system on forsterite with chromium (wavelength 1.24 μm), which is available to the research team. In the first year of the project, a detailed study of the solution will be carried out, the circuit will be calculated and a parametric amplifier of the mid-IR range (1.2-3.3 μm) pumped with a sub-watt titanium-sapphire laser pumped. An important feature of the developed approach will be the combination of direct parametric amplification, as the most effective solution for obtaining radiation in the 2 μm wavelength range and subsequent parametric amplification with double chirping to expand the generation spectrum to 3 μm. Here, work will begin on testing nonlinear crystals (both “ordinary” organic and specially designed) to convert infrared radiation to THz spectral ranges using radiation from a laser system on forsterite with chromium. In the second-third year of the project, we plan to reach the maximum possible values ​​for the output energy and output power of a parametric IR amplifier using the peak power of a titanium-sapphire pump laser up to 1 TW. Terahertz radiation will also be generated at various IR pump wavelengths using various crystals, as well as in a two-color scheme in air. The third year of the project will be aimed at further optimizing the developed source and its application for the generation of powerful broadband with a duration close to one period of the field and tunable narrow-band THz pulses. One of the key objectives of the project is to develop an optimal scheme that allows you to get the maximum intensity (and intensity) of the terahertz field. The use of such pulsed fields will subsequently allow the study of various substances at electric field intensities significantly exceeding the breakdown thresholds by a static electric field. Our research team has extensive experience in the field of studying the interaction of high-intensity laser radiation with matter, the history of this direction in the laboratory has more than twenty years. Thanks to this, a unique reserve of experimental methods and approaches was developed. The staff of the research team are specialists in the field of quantum electronics and nonlinear optics, including the mid-IR and terahertz ranges, and have extensive experimental experience with femtosecond lasers.

1. Перестраиваемый по длине волны параметрический усилитель - преобразователь излучения тераваттной фемтосекундной лазерной системы на сапфире с титаном (0.8 мкм) в диапазон 1,2-3.3 мкм, обеспечивающий генерацию субтераваттных ИК импульсов длительностью в несколько циклов поля. 2. Экспериментальная демонстрация высокоэффективного ИК-ТГц преобразования во вновь синтезированных нелинейных кристаллах. 3. Эффективное формирование широкополосного терагерцевого излучения при накачке двухцветным излучением ближнего и среднего ИК диапазонов в плазме оптического пробоя воздуха. 4. Экспериментальная демонстрация получения терагерцевого поля с напряженностью, существенно превышающей пороги пробоя веществ статическими электрическими полями. Планируемые результаты проекта находятся на самом передовом научном уровне и уникальны в мировом масштабе. Реализация проекта обеспечит технологии для масштабирования энергии ультракоротких ИК и ТГц импульсов, гибкую перестройку их длины волны. Проведенные нами оценки показывают, что подобный подход может обеспечить масштабировании энергии ИК-импульсов до джоулевого уровня, а мощности – до сотен тераватт. Использование высокоэффективного параметрического преобразования также позволяет рассчитывать, что при правильном согласовании параметров взаимодействующих импульсов и параметров нелинейной среды, можно обеспечить длительность импульса в ИК и ТГц диапазонах в несколько периодов поля и даже меньше. Возможность фазированной генерации мощных ИК и ТГц электромагнитных импульсов в рамках одного схемного решения с накачкой от титан-сапфирового лазерного источника открывает новые горизонты для совместного использования как ТГц, как и оптических, полей в задачах силового воздействия и время-разрешённой диагностики. В целом созданные решения должны дать существенный импульс новым технологиям для экономики и социальной сферы, а также новым инструментам для решения задач фундаментальной и прикладной науки (физики, химии, биологии, материаловедению, медицине).

У нашей научной группы многолетний опыт в генерации и сверхбыстрой диагностики терагерцевого излучения [Panov, N.A., Kosareva, O.G., Andreeva, V.A. et al. Angular distribution of the terahertz radiation intensity from the plasma channel of a femtosecond filament Jetp Lett. (2011) 93: 638]. Нами впервые экспериментально было зарегистрировано терагерцевое излучение назад при двухцветной филаментации в воздухе [Ushakov, A.A., Matoba, M., Nemoto, N. et al. «Backward Terahertz Radiation from a Two-Color Femtosecond Laser Filament » Jetp Lett. (2017) 106: 706.]. Мы впервые показали возможности использования ТГц для решения задач мультиспектрального двумерного терагерцевого имиджинга [Aleksandr Ushakov, Pavel Chizhov, Vladimir Bukin, Andrei Savel’ev, and Sergei Garnov, "Broadband in-line terahertz 2D imaging: comparative study with time-of-flight, cross-correlation, and Fourier transform data processing," J. Opt. Soc. Am. B 35, 1159-1164 (2018)]. За последние два года был получен ряд пионерских результаты по использованию сгенерированных в процессах оптического выпрямления в нелинейных органических кристаллах с накачкой хром-форстеритовым лазером мощных терагерцевых импульсов (до 20 МВ/см) для исследования нелинейной динамики носителей заряда в полупроводниковых материалах (непрямозононого кремния n-типа, и прямозонного InGaAs n-типа) [O. V. Chefonov, A. V. Ovchinnikov, M. B. Agranat, V. E. Fortov, E. S. Efimenko, A. N. Stepanov, and A. B. Savel'ev, «Nonlinear transfer of an intense few-cycle terahertz pulse through opaque n-doped Si», Phys. Rev. B 98, 165206 (2018); XIN CHAI, xavier ropagnol, Andrey Ovchinnikov, Oleg Chefonov, Alexander Ushakov, Carlos Garcia-Rosas, elchin isgandarov, M.B. Agranat, Tsuneyuki Ozaki, and Andrei Savel'ev, « Observation of crossover from intraband to interband nonlinear terahertz optics», Optics Letters, 43(21):5463–5466, 2018.].