ИСТИНА

Проект представляет собой фундаментальное исследование, направленное на изучение процесса взаимодействия интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с газо-нанокластерной средой с целью получения мощного импульсного терагерцового излучения. Исследования будут носить преимущественно экспериментальный характер и проводиться в нескольких взаимосвязанных и сходящихся к вышеназванной цели направлениях. Во-первых, будут исследованы свойства терагерцового излучения, такие как его пространственные и спектрально-временные свойства, в зависимости от параметров фемтосекундных лазерных импульсов, размера и состава кластеров. Во-вторых, впервые процесс генерации терагерцового излучения будет использован для анализа динамики образования и преобразования кластеров в процессе импульсного адиабатического расширения газа в вакуум при формировании сверхзвуковой струи. Будут определены параметры оптимальной стационарности импульсного формирования сверхзвуковой струи. В-третьих, будет изучаться влияние кластерообразования на формирование фемтосекундного филамента в объеме газового пучка, содержащего нанокластеры. И, наконец, в-четвертых, будут проведены исследования процесса генерации ТГц излучения в режиме «накачка-зондирование» при воздействии на кластерную струю двух импульсов фемтосекундного излучения, задержанных друг относительно друга во времени и имеющих разные относительные интенсивности. Все эти исследования имеют конечной целью во-первых, повышение информативности лазерных методов при исследовании динамики фотовозбуждения газовых кластеров с помощью анализа генерируемого в них ТГц излучения и во-вторых, получение максимального «выхода» мощного импульсного низкочастного излучения. Данная постановка задачи новая и ранее никем не ставилась.

The project is a fundamental study aimed at studying the interaction of intense femtosecond laser pulses With a gas-nanocluster medium in order to obtain a powerful pulsed terahertz radiation. Research will be mainly experimental in nature and will be conducted in several directions that are interrelated and converging to the above-mentioned goal. First, the properties of terahertz radiation, such as its spatial and spectral-temporal properties, will be investigated, depending on the parameters of femtosecond laser pulses, the size and composition of the clusters. Secondly, for the first time the generation of terahertz radiation will be used to analyze the dynamics of formation and conversion of clusters in the process of pulsed adiabatic expansion of gas into vacuum during the formation of a supersonic jet. The parameters of the optimal stationarity of pulsed formation of a supersonic jet will be determined. Thirdly, the effect of cluster formation on the formation of a femtosecond filament in the volume of a gas beam containing nanoclusters will be studied. And, finally, fourthly, research will be carried out on the generation of THz radiation in the "pump-probe" mode when two femtosecond pulses are detached from each other in time and have different relative intensities on the cluster jet. All these studies have the ultimate goal, first, to increase the informativeness of laser methods in studying the dynamics of photoexcitation of gas clusters by analyzing the radiation generated in them by THz radiation and, secondly, to obtain the maximum "yield" of high-power pulsed low-frequency radiation. This formulation of the problem is new and has not previously been raised.

1. Для выяснения вопроса о механизме усиления терагерцового излучения, генерируемого в кластере, ионизованном фемтосекундным лазерным импульсом большой интенсивности, по сравнению со случаем однородного распределения фоновой плазмы будет проведено сравнение мощности терагерцового излучения, генерируемого в газо-нанокластерной среде, и мощности терагерцового сигнала, генерируемого таким же количеством равномерно распределённых по пространству ионизованных атомов при их медленном отклике на пондеромоторную силу, действующую со стороны лазерного импульса. Эти измерения также помогут ответить на вопрос, насколько сильно эффект плазменной экранировки уменьшает мощность терагерцового излучения и как меняется влияние этого эффекта с изменением параметров облучающего лазерного импульса. 2. Результаты экспериментов по измерению временного профиля терагерцового импульса должны показать, коррелирует ли длительность терагерцового сигнала с длительностью лазерного импульса или существуют механизмы более длительного переизлучения кластером (ансамблем кластеров) в терагерцовом диапазоне частот, которые могут объяснить результаты экспериментов [T.Nagashima et al, Optics Express 17, 8907 (2009); A.Balakin, ..., A.Shkurinov, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2016, in press]. Облучение кластера лазерными импульсами с различной длительностью должно помочь объяснить наличие экспериментально обнаруженной оптимальной длительности лазерного импульса и связать ее с особенностями динамики отдельного кластера, либо указать на макроскопическую природу этого эффекта. 3. Аналогичные эксперименты с применением схемы «двухцветного» лазерного возбуждения должны дать ответ на вопрос о том, как в этом случае работает механизм усиления терагерцового импульса кластерами и, возможно, смогут также стать основой для поиска оптимальных условий генерации терагерцового излучения. 4. Результаты экспериментов по изучению процесса генерации ТГц излучения при облучении кластеров двумя последовательными лазерными импульсами задержанными друг относительно друга во времени и имеющими разные относительные интенсивности (режим «накачка-зондирование») позволят понять, насколько предпочтительны более поздние стадии разлёта кластера для генерации терагерцового сигнала и каковы оптимальные параметры оптических импульсов в этой схеме. 5. Анализ динамики образования и преобразования кластеров в процессе импульсного адиабатического расширения газа в вакуум при формировании сверхзвуковой струи даст ответ на вопрос о возможность оптимизации состава газо-кластерной среды (размер, концентрация кластеров), формируемой в области лазерного облучения. Такая оптимизация даст дополнительную возможность управления режимами и эффективностью процесса генерации терагерцового излучения. 6. Решение обратной задачи, а именно использование процесса генерации терагерцового излучения для анализа динамики образования и преобразования кластеров в процессе импульсного адиабатического расширения газа в вакуум при формировании сверхзвуковой струи, позволит впервые сформулировать и реализовать концепцию терагерцового контроля процесса кластерообразования. 7. Результаты экспериментов по изучению влияния кластерообразования на формирование и свойства фемтосекундного филамента в объеме газового пучка, содержащего нанокластеры, дадут возможность сделать оценки длительности и углового распределения терагерцового сигнала, генерируемого за счет когерентного сложения полей, излучаемых с различных участков плазменного филамента, что позволит оптимизировать процесс генерации терагерцового излучения.

Коллектив имеет большой опыт эксплуатации фемтосекундных лазерных систем. Участниками коллектива создан ряд экспериментальных установок для генерации и детектирования импульсного терагерцового излучения с использованием полупроводников, электрооптических кристаллов, плазмы оптического пробоя воздуха и других газов. Установки применялись для исследования процесса генерации терагерцового излучения, а также для решения задач спектроскопии материалов в терагерцовом диапазоне длин волн.

1. Для выяснения вопроса о механизме усиления терагерцового излучения, генерируемого в кластере, ионизованном фемтосекундным лазерным импульсом большой интенсивности, по сравнению со случаем однородного распределения фоновой плазмы будет проведено сравнение мощности терагерцового излучения, генерируемого в газо-нанокластерной среде, и мощности терагерцового сигнала, генерируемого таким же количеством равномерно распределённых по пространству ионизованных атомов при их медленном отклике на пондеромоторную силу, действующую со стороны лазерного импульса. Эти измерения также помогут ответить на вопрос, насколько сильно эффект плазменной экранировки уменьшает мощность терагерцового излучения и как меняется влияние этого эффекта с изменением параметров облучающего лазерного импульса. 2. Результаты экспериментов по измерению временного профиля терагерцового импульса должны показать, коррелирует ли длительность терагерцового сигнала с длительностью лазерного импульса или существуют механизмы более длительного переизлучения кластером (ансамблем кластеров) в терагерцовом диапазоне частот, которые могут объяснить результаты экспериментов [T.Nagashima et al, Optics Express 17, 8907 (2009); A.Balakin, ..., A.Shkurinov, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2016, in press]. Облучение кластера лазерными импульсами с различной длительностью должно помочь объяснить наличие экспериментально обнаруженной оптимальной длительности лазерного импульса и связать ее с особенностями динамики отдельного кластера, либо указать на макроскопическую природу этого эффекта. 3. Аналогичные эксперименты с применением схемы «двухцветного» лазерного возбуждения должны дать ответ на вопрос о том, как в этом случае работает механизм усиления терагерцового импульса кластерами и, возможно, смогут также стать основой для поиска оптимальных условий генерации терагерцового излучения. 4. Результаты экспериментов по изучению процесса генерации ТГц излучения при облучении кластеров двумя последовательными лазерными импульсами задержанными друг относительно друга во времени и имеющими разные относительные интенсивности (режим «накачка-зондирование») позволят понять, насколько предпочтительны более поздние стадии разлёта кластера для генерации терагерцового сигнала и каковы оптимальные параметры оптических импульсов в этой схеме. 5. Анализ динамики образования и преобразования кластеров в процессе импульсного адиабатического расширения газа в вакуум при формировании сверхзвуковой струи даст ответ на вопрос о возможность оптимизации состава газо-кластерной среды (размер, концентрация кластеров), формируемой в области лазерного облучения. Такая оптимизация даст дополнительную возможность управления режимами и эффективностью процесса генерации терагерцового излучения. 6. Решение обратной задачи, а именно использование процесса генерации терагерцового излучения для анализа динамики образования и преобразования кластеров в процессе импульсного адиабатического расширения газа в вакуум при формировании сверхзвуковой струи, позволит впервые сформулировать и реализовать концепцию терагерцового контроля процесса кластерообразования. 7. Результаты экспериментов по изучению влияния кластерообразования на формирование и свойства фемтосекундного филамента в объеме газового пучка, содержащего нанокластеры, дадут возможность сделать оценки длительности и углового распределения терагерцового сигнала, генерируемого за счет когерентного сложения полей, излучаемых с различных участков плазменного филамента, что позволит оптимизировать процесс генерации терагерцового излучения.