Фемтосекундный филамент как новая нелинейно-оптическая средаНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2012 г.-31 декабря 2012 г. Фемтосекундный филамент как новая нелинейно-оптическая среда
Результаты этапа: Проведена модернизация фемтосекундной лазерной системы на титан-сапфире Центра коллективного пользования МЛЦ МГУ. Достигнуто близкое к единице качество пучка M^2 при энергии в импульсе около 6 мДж, достаточной и для импульса накачки, и для импульса затравки, формируемого в оптическом параметрическом усилителе для инициирования четырехволнового смешения в протяженном филаменте. Для экспериментов по вырожденному четырехволновому смешению импульсов основной и второй гармоник титан-сапфирового лазера выбрана оптимальная методика детектирования получающегося терагерцового излучения, основанная на его преобразовании в оптический диапазон за счет генерации суммарной частоты (соответствует 400 нм) при смешении пробного излучения титан-сапфирового лазера (соответствует 800 нм) с низкочастотным сигналом. Разработана модель и основанный на ней программный комплекс для моделирования четырехволнового смешения при филаментации мощного фемтосекундного излучения с учетом быстроосциллирующей компоненты на несущей частоте светового поля. Обнаружено влияние кроссмодуляции импульса затравки в высокоинтенсивном филаменте на спектральный состав сигнального импульса. Спектр излучения, испытавшего четырехволновое взаимодействие в филаменте, соответствует измеренному в эксперименте в диапазоне 400 – 8000 нм. Теоретически описана генерация терагерцового излучения при оптическом выпрямлении в фемтосекундном филаменте. Показано, что низкочастотное крыло терагерцового излучения возникает вследствие фототока свободных электронов, образованных при многофотонной ионизации газа в высокоинтенсивном лазерном импульсе. Происхождение высокочастотного крыла связано с нелинейной поляризацией нейтральных молекул при четырехволновом смешении в филаменте. Проведено моделирование филаментации с учетом высших порядков керровской нелинейности и быстроосциллирующей на оптической частоте компоненты светового поля. Показано формирование симметричного во времени импульса с формой, близкой к прямоугольной, и длительностью соответствующей первоначальной длительности имульса до филаментации. На основе полевого подхода показано отсутствие самосжатия излучения в филаменте и подтверждено, что в воздухе рост интенсивности при самофокусировке ограничивается самонаведенной лазерной плазмой, а не высшими порядками керровской нелинейности.
2 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Фемтосекундный филамент как новая нелинейно-оптическая среда
Результаты этапа: Экспериментально исследовано четырехволновое смешение в широком спектре фемтосекундного филамента импульса лазерной системы на титан-сапфире. Установлено, что длинноволновое инфракрасное излучение, формируемое в этом процессе, распространяется вдоль оси высокоинтенсивного филамента, тогда как коротковолновое видимого диапазона ? как на его оси, так и под углом к ней. Экспериментально реализована система генерации и регистрации терагерцового излучения двуцветного филамента (800 и 400 нм). Показано, что пресозданная лазерная плазма подавляет генерацию терагерцового излучения в этой схеме. Исследовано влияние длительности двуцветного фемтосекундного лазерного импульса на спектр терагерцового излучения. Найдены аналитические выражения, связывающие положение максимума в спектре терагерцового излучения с длительностью оптической накачки: в случае отклика связанных электронов положение максимума обратно пропорциональна длительности импульса накачки, а в случае фототока в условиях ионизации ? корню квадратному длительности импульса накачки. Разработана самосогласованная модель филаментации фемтосекундного лазерного импульса и генерации терагерцового излучения. Впервые методом прямого численного интегрирования уравнений распространения с учетом быстроосциллирующей несущей частоты установлено, что частотно-угловой спектр терагерцового излучения имеет коническую форму, причем угол раствора конуса уменьшается с увеличением частоты излучения.
3 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Фемтосекундный филамент как новая нелинейно-оптическая среда
Результаты этапа: В рамках проекта создан уникальный экспериментальный стенд, обеспечивающий исследование процессов, протекающих при филаментации фемтосекундного лазерного излучения на длине волны 800 нм, обладающего пространственной модой пучка, близкой к гауссовой (параметр M2=1.1). Проведено исследование процессов четырехволнового смешения частот в создаваемом таким пучком филаменте. Комплексное экспериментальное и теоретическое исследование инфракрасной компоненты (820-960 нм) в спектре одиночного фемтосекундного филамента в молекулярных газах, показало, что она распространяется вдоль оси пучка, сохраняет свою временную форму и длительность около 30 фс, монотонно смещаясь по спектру в инфракрасную область. Это позволило нам назвать такую солитоноподобную структуру рамановской световой пулей. Экспериментально установлено, что рамановская световая пуля может инициировать четырехволновое смешение, сопровождающееся генерацией антистоксовой компоненты в спектре суперконтинуума. Угловое распределение антистоксовой компоненты определяется концентрацией свободных электронов в плазменном канале филамента. Разработана трехмерная в пространстве в приближении аксиальной симметрии пучка модель филаментации мощного фемтосекундного излучения произвольной длительности, вплоть до одного периода колебаний поля, и спектрального состава. В рамках единого уравнения распространения для электромагнитного поля, самосогласованного с уравнениями для генерации лазерной плазмы в среде, модель описывает как филаментацию импульса так и генерацию инфракрасного и терагерцового излучения вплоть до 0.1 ТГц. На основе развитой модели показано, что при невырожденном четырехволновом смешении затравочного импульса видимого диапазона (400 - 500 нм) и высокоинтенсивного поля фемтосекундного филамента с центральной длиной волны 800 нм генерируется сигнальный инфракрасный импульс длительностью около одного периода светового поля. При этом эффективность преобразования энергии титан-сапфирового лазера в энергию сигнального инфракрасного излучения составляет 0.1% Создана экспериментальная установка для генерации и регистрации терагерцового излучения при филаментации двуцветного (800 + 400 нм) фемтосекундного импульса. На основе анализа частотных спектров, зарегистрированных в эксперименте и рассчитанных в соответствии с разработанной нами моделью, показано, что доминирующим физическим механизмом генерации терагерцового излучения в диапазоне 1-3 ТГц является нестационарный фототок в условиях нелинейной ионизации газа. Как в теории, так и в эксперименте пространственное распределение терагерцового излучения в дальней зоне имеет устойчивую кольцевую структуру, которая сохраняется в широком диапазоне энергии и длительности импульса накачки, а также слабо зависит от геометрии эксперимента. Разработана модель филаментации мощного фемтосекундного излучения, учитывающая одновременно влияние высших порядков керровской нелинейности и произвольную поляризацию лазерного импульса. Показано, что интенсивность в филаменте, сформированном в импульсе с циркулярной поляризацией, является максимальной, а в импульсе с линейной поляризацией – минимальной. Установлено, что существуют два устойчивых значения максимальной интенсивности, соответствующих случаю филаментации либо линейно, либо циркулярно поляризованного излучения.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".