| 1 |
13 февраля 2012 г.-31 декабря 2013 г. |
Филамент фемтосекундного излучения как новая среда для нелинейно-оптических взаимодействий |
| Результаты этапа: Реализовано рамановское четырехволновое смешение при филаментации в молекулярных газах. Разработана теория четырехволнового смешения в филаменте, сформированном в атомарных и молекулярных газах. Разработана модель генерации оптических перестраиваемых по спектру сверхкоротких импульсов из нескольких колебаний светового поля. Модель основана на полевом подходе, позволяющем исследовать нелинейную трансформацию излучения произвольной длительности и спектрального состава. В модели учтены явления дисперсии произвольного порядка, дифракции, керровской и плазменной нелинейностей, поглощения в самонаведенной лазерной плазме. В численном моделировании показана возможность формирования импульсов длительность. около одного колебания поля за счет генерации разностной частоты при четырехволновом взаимодействии в начале филаментации фемтосекундного лазерного излучения в аргоне. Фазовый синхронизм не играет существенной роли в этом процессе, и поэтому обратная перекачка энергии сигнального импульса в энергию импульса накачки не происходит ввиду локальности его генерации в высокоинтенсивном филаменте. Проведена модернизация лазерной системы, направленная на улучшение качества излучения: с целью увеличения энергии и контраста лазерного импульса произведена замена регенеративного усилителя лазерной системы на многопроходовый, для повышения качества пространственной моды излучения создана оптическая схема пространственной фильтрации. Данные действия были продиктованы необходимостью улучшения пространственной стабильности как филамента, так и затравочного излучения. До проведения оптимизации добиться пространственного совмещения излучений филамента и затравки для реализации процессов четырех волнового смешения на длине филамента протяженностью около нескольких метров и диаметром около 100 мкм было крайне сложно. В результате замены регенеративного усилителя на многопроходовый контраст лазерного импульса был повышен на два порядка. Измерения, проведенные с помощью коррелятора третьего, порядка показали, что в настоящий момент контраст лазерного импульса на наносекундном масштабе времени лучше, чем 2x10^7, на пикосекундном масштабе лучше, чем 10^8. Имеется предымпульс, отстоящий на 12 пс и имеющий относительную амплитуду ~10^-6. Ранее лазерный импульс имел предымпульсы с относительной амплитудой ~10^-4. Кроме того, за истекший год энергия лазерного импульса была повышена в 5 раз и составляет 150 мДж в несжатом импульсе. Важно отметить, что в России установок, обеспечивающих достигнутые уровень энергии и контраста при длительности импульса менее 100 фс, крайне мало. Созданная нами экспериментальная схема пространственной фильтрации излучения позволяет повысить исходный параметр качества пучка (М^2=1.5-1.8) до значений порядка 1. Схема состоит из вакуумной кюветы длиной два метра, в центре которой размещена сапфировая диафрагма с диаметром отверстия 120 мкм. Для выделения основной гауссовской моды исходное несжатое по времени излучение фокусируется на диафрагму с помощью линзы с фокусным расстоянием 2 м, после прохождения фильтра излучение коллимируется линзой с фокусным расстоянием 1.5 м. В результате на выходе из схемы мода пучка близка к гауссовской с диаметром 0.7 мм по полувысоте. Энергия излучения на выходе достигает 25 мДж. Проведены эксперименты по спектральной диагностике излучения, генерируемого в филаменте в воздухе фемтосекундным лазерным импульсом с различным качеством пучка: с негауссовской пространственной модой М^2=1.8 и модой близкой к гауссовой М^2=1.3. Было обнаружено, что при формировании филамента лазерным импульсом с М^2=1.3 в спектре излучения образуется инфракрасное крыло, простирающееся вплоть до 1.2 мкм и содержащее до 45% энергии от основного импульса. Образование крыла можно связать с влиянием рамановских переходов на колебательных уровнях молекулы азота в воздухе. Несмотря на то, что спектральная ширина исходного импульса не достаточна для возбуждения колебательных уровней, можно высказать предположение, что в случае использования лазерного импульса с хорошим пространственным качеством пучка при филаментации происходит его временное укорочение. Вкупе с уширившимся спектром это может приводить к возбуждению колебательных уровней и уширению спектра в ИК-область. В случае использования лазерного импульса с М^2=1.8 данный эффект отсутствует, а формируется, наблюдаемая нами и ранее, отдельная спектральная компонента в ИК-области спектра за счет каскадных рамановских процессов на вращательных переходах в молекулах азота. Для интерпретации этих экспериментальных результатов проведено теоретическое исследование возможности формирования рамановских солитоноподобных структур при филаментации фемтосекундного излучения в молекулярных газах. Эти структуры, сохраняя свою длительность, смещаются по спектру в стоксову область с расстоянием вдоль филамента, образуя изолированное спектральное крыло. Такие солитоноподобные структуры исследованы в оптическом волокне с аномальной дисперсией, а в среде с нормальной дисперсией невозможны. Однако исследованные газы (воздух, азот) обладают нормальной дисперсией в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Теоретически показано, что средой с аномальной дисперсией в воздухе является лазерная плазма филаментов на заднем фронте импульса в нем, если ее концентрация превышает критическое значение около 3 * 10^16 см^-3. Это значение соответствует известным из экспериментов значениям концентрации свободных электронов в лазерной плазме филаментов, что объясняет формирование смещающихся по спектру рамановских солитоноподобных структур при филаментации в молекулярных газах. Проведены эксперименты по исследованию влияния поляризации лазерного импульса на генерацию наблюдаемой нами рамановской компоненты в спектрах излучения в филаменте, создаваемого фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе при атмосферном давлении. Было обнаружено, что в случае циркулярной поляризации лазерного импульса эффективность генерации рамановской компоненты значительно снижена – в спектре, измеренном в приосевой области филамента, практически отсутствует отделённая компонента в ИК-области спектра. В случае линейной поляризации лазерного импульса центральная длина волны рамановской компоненты сдвигается по спектру с расстоянием вдоль оси филамента вплоть до 880 нм. Разработана теория 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 импульсе с линейной поляризацией – минимальной. Установлено, что независимо от поляризации фемтосекундного излучения на входе в нелинейную среду значение максимальной интенсивности при филаментации стремится к максимальной интенсивности в случае либо циркулярной, либо линейной поляризации. Проведено численное моделирование филаментации фемтосекундного излучения при давлениях от 1 до 0.3 атм., что соответствует задаче распространения излучения на высоты до 10 км. При уменьшении давления диаметр филамента возрастает, он становится более однородным по продольной координате. |
| 2 |
1 января 2013 г.-31 января 2013 г. |
Филамент фемтосекундного излучения как новая среда для нелинейно-оптических взаимодействий |
| Результаты этапа: Экспериментально реализована система генерации и регистрации терагерцового излучения при филаментации двуцветного (основная и вторая гармоники) фемтосекундного лазерного импульса в воздухе. Для генерации использовались импульсы длительностью 35 фс, энергия излучения основной гармоники составляла 2 мкДж, второй – несколько сотен микроджоулей. Детектирование терагерцового излучения проводилось ячейкой Голея. Исследована зависимость эффективности преобразования энергии оптического излучения в терагерцовое от угла между векторами электрического поля основной и второй гармоник. Установлено, что энергия терагерцового излучения уменьшается с ростом этого угла. Разработана теория генерации терагерцового излучения при вырожденном четырехволновом взаимодействии поля филамента, формируемого основной гармоникой, и излучения второй гармоники. В теории учтены отклик как свободных электронов самонаведенной лазерной плазмы, так и электронов, связанных в атомах или молекулах. Показано, что независимо от механизма происходит уменьшение энергии терагерцового излучения с увеличением угла между векторами электрического поля основной и второй гармоник. Получены спектры терагерцового излучения для обоих механизмов нелинейного отклика. Аналитически и методом численного моделирования показано, что независимо от механизма генерации при уменьшении длительности оптической накачки возрастает спектральная ширина терагерцового излучения, а максимум его спектра смещается в высокочастотную область. Однако характер смещения максимума спектра при изменении длительности оптического импульса различается для этих механизмов: в случае отклика свободных электронов он обратно пропорционален квадратному корню из длительности импульса, а в случае отклика связанных электронов – обратно пропорционален длительности импульса. За низкочастотную компоненту терагерцового излучения отвечает отклик лазерной плазмы, а за более высокочастотную – отклик нейтральных атомов. Экспериментально и теоретически установленные закономерности позволяют эффективно управлять энергией терагерцового излучения при варьировании угла между векторами электрического поля основной и второй гармоник, а его спектром – за счет изменения длительности фемтосекундного двуцветного лазерного импульса. Экспериментально установлено, что при филаментации излучения титан-сапфирового лазера (80 ГВт, 50 фс, 805 нм) в молекулярных газах в спектре формируется изолированное длинноволновое крыло, ведущее себя подобно рамановскому солитону. Так, оно распространяется в приосевой области филамента; имеет длительность около 30 фс на всей области существования филамента; его центральная длина волны смещается с 820 до 870 нм без изменения формы спектра с увеличением расстояния. Для интерпретации этих экспериментальных результатов проведено теоретическое исследование возможности формирования рамановских солитоноподобных структур при филаментации фемтосекундного излучения в молекулярных газах. Эти структуры изучены в оптическом волокне с аномальной дисперсией, а в среде с нормальной дисперсией невозможны. Исследованные газы (воздух, азот) обладают именно нормальной дисперсией в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Теоретически показано, что средой с аномальной дисперсией в воздухе является лазерная плазма филаментов на заднем фронте импульса в нем, если ее концентрация превышает критическое значение около 3 x 10^16 см^-3. Это значение соответствует известным из экспериментов значениям концентрации свободных электронов в лазерной плазме филаментов, что объясняет формирование смещающихся по спектру рамановских солитоноподобных структур при филаментации в молекулярных газах. Методами компьютерного моделирования на основе разработанных на предыдущем этапе проекта модели и комплекса программ исследован частотно-угловой спектр фемтосекундного излучения при филаментации в воздухе. В нем обнаружена изолированная компонента в стоксовой части спектра, смещающаяся в инфракрасную область с расстоянием и распространяющаяся на оси пучка в качественном согласии с результатами эксперимента. Рамановские солитоноподобные структуры могут стать эффективным средством генерации мощных фемтосекундных когерентных оптических импульсов с управляемой длиной волны. Механизм управления состоит в изменении длины распространения, в результате чего длина волны рамановской солитоноподобной структуры смещается в красную область. Разработана теория 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 импульсе с линейной поляризацией – минимальной. Установлено, что существуют два устойчивых значения максимальной интенсивности, соответствующих случаю филаментации либо линейно, либо циркулярно поляризованного излучения. Независимо от поляризации фемтосекундного излучения на входе в нелинейную среду значение максимальной интенсивности при филаментации стремится к одному из этих двух устойчивых значений: в случае квазилинейной поляризации – к максимальной интенсивности в случае линейной поляризации, а в остальных случаях – к максимальной интенсивности в случае циркулярной поляризации. Объяснение этого явление состоит в следующем. Излучение произвольной поляризации можно представить в виде линейной суперпозиции лево- и правовращающихся циркулярно поляризованных компонент. Для случая линейной поляризации эти компоненты равны, для случая циркулярной – одна из них равна нулю, для случая эллиптической – обе компоненты являются ненулевыми и неравными между собой. Симметрия изотропной среды такова, что в начале филаментации менее интенсивная циркулярная компонента быстрее фокусируется, чем более интенсивная. В результате этого поляризация излучения в филаменте становится «более линейной». Однако по достижении интенсивностью излучения порогового значения, зависящего от поляризации излучения, менее интенсивная компонента излучения начинает дефокусироваться, тогда как более интенсивная продолжает нелинейную фокусировку. При начальной квазилинейной поляризации фемтосекундного излучения порог дефокусировки менее интенсивной циркулярной компоненты не достигается и поляризация излучение в филаменте становится практически линейной. В случае большей начальной эллиптичности излучения интенсивность в процессе распространения становится надпороговой, в результате чего менее интенсивная компонента дефокусируется из филамента, и в нем остается только более интенсивная, что приводит к формированию излучения с циркулярной поляризацией с интенсивностью, соответствующей этому случаю. Методами компьютерного моделирования исследована возможность управления филаментацией мощных фемтосекундных лазерных импульсов за счет внесения в фазовый профиль пучка контролируемых аберраций методами адаптивной оптики. Показана возможность более чем двукратной пролонгации высокоинтенсивных световых филаментов и связанных с ними плазменных каналов при совместном использовании геометрической фокусировки и сферической аберрации на выходе лазерной системы. Полином Цернике, отвечающий за сферическую аберрацию, является аксиально-симметричным и имеет локальный минимум в зависимости от радиуса пучка. Такая форма фазового фронта обеспечивает меньшую расходимость излучения за геометрическим фокусом, что в условиях керровской самофокусировки ведет к увеличению длины филамента. Данный метод управления филаментацией является перспективным с точки зрения нелинейно-оптической трансформации затравочного излучения и генерации новых спектральных компонент в оптической и терагерцовой частях спектра, поскольку данные эффекты накапливаются с расстоянием. |
