ИСТИНА

Вопрос об эффективности нелинейно-оптических процессов в сильных световых полях является принципиальным с точки зрения предельных возможностей нелинейной оптики. Настоящий проект посвящен решению фундаментальной проблемы физики нелинейной оптики – исследованию эволюции нелинейно-оптических преобразований (уширение спектра, филаментация, генерация оптических гармоник, оптический пробой и т.д.) высокоинтенсивного (порядка 10^13-10^14 Вт/см^2) остросфокусированного (0.1<NA<0.4) фемтосекундного лазерного излучения ближнего и среднего ИК диапазона в простых и комбинированных (синтезированных) конденсированных и плотных газовых средах, как в режиме предельной интенсивности, так и в режиме плазмообразования. Использование остро фокусированного лазерного излучения ближнего и среднего ИК диапазона позволит локально (на микромасштабах) исследовать особенности нелинейно-оптических преобразований, связанных с уширением спектра, генерации континуума и гармоник, в том числе и высокого порядка, при использовании излучения среднего ИК диапазона (4-5мкм) в режимах, когда рэлеевская длина в среде сопоставима с поперечным размером, например, газовой струи в режиме предельной интенсивности. Роль влияния плазмы на нелинейно-оптические преобразования не очевиден и будет выясняться при выполнении проекта. Такой нелинейно-оптический объект с нелинейными и дисперсионными свойствами, управляемыми в широких пределах за счёт изменения температуры и плотности (от газовой фазы до конденсированного состояния), выбора исходной смеси газов, включения резонансов с использованием коллоидов содержащих наночастицы позволит выйти на новый уровень понимания процесса эволюции и управления нелинейно-оптическими преобразованиями в прозрачных газовых и конденсированных средах. Это также даст возможность определить режимы воздействия, при которых достигается наибольшая их эффективность. Расширение спектрального диапазона возбуждающего излучения до среднего ИК диапазона позволит не только выявить роль высоких нелинейностей при регистрации несинхронных нелинейно-оптических гармоник в ближнем ИК и видимом спектральных диапазонах, но и установить влияние ионизационных механизмов (полевая и лавинная ионизация) на эффективность соответствующих нелинейно-оптических преобразований в исследуемых объектах. Различный характер полевой и эффективность лавинной ионизации в поле излучения ближнего и среднего ИК диапазона может кардинальным образом влиять на протекание нелинейно-оптических процессов. Возможность управления дисперсионными свойствами среды позволит впервые рассмотреть задачу генерации оптических гармоник, возникающих при преобразовании исходного излучения ближнего или среднего ИК диапазонов, распространяющегося в среде с аномальной дисперсией групповой скорости и испытывающего самосжатие. В микроплазме, создаваемой в однородных или в составных (синтезированных) плотных газовых или конденсированных средах в условиях воздействия двухцветной пары остросфокусированных высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов, один из которых коротковолновый (УФ или видимый) создает «затравочные» электроны в микрообласти области, а другой длинноволновый (ближний или средний ИК) можно локально и эффективно изменять энергию электронов за счёт пондеромоторного действия и их концентрацию при внесении задержки в длинноволновой канал. Такой нестационарный лазерно-плазменный объект следует рассматривать в качестве новой локальной динамической нелинейной среды, свойства которого и влияние на протекание нелинейно-оптических преобразований предстоит изучить, в том числе и для процесса генерации высоких гармоник.

1. Будет разработана и проведена модернизация хром-форстеритовой лазерной системы с переходом на брэгговский стретчер/компрессор с возможностью вносить в выходом излучения лазера управляемый чирп нужного знака. 2. Будет создана схема нелинейно-оптической конверсии излучения среднего ИК диапазона XFROG для характеризации спектра и длительности. 3. Будут исследованы особенности генерации суперконтинуума и филаментации, генерации гармоник, в том числе и высокого порядка в видимой и ближней ИК области спектра, при распространении остросфокусированного высокоинтенсивного фемтосекундного излучения среднего ИК диапазона (4-5мкм) в простых и комбинированных (синтезированных) конденсированных и плотных газовых средах в режимах предельной интенсивности (до плазмообразования). Будет установлена роль влияния локальной микроплазмы на эти процессы. 4. Будет установлено влияние нелинейного показателя преломления и дисперсионных свойств среды на процессы генерации суперконтинуума и гармоник, включая высокие, при изменении как температуры, так и плотности среды. Будет изучена роль чирпа лазерного излучения на эти процессы. 5. Будет разработана численная модель расчёта самокомпрессии «длинных» спектрально-ограниченных и чирпированных фс-лазерных (100-200 фс) импульсов в средах с положительной дисперсией групповой скорости в режиме, когда существенной становиться роль лавины.

Данный проект является идеологическом продолжением фундаментальных и прикладных исследований, проводимых в нашей лаборатории, таких как создание мультигигаваттной фемтосекундной лазерной системы среднего ИК диапазона, разработка новых подходов в микроструутурировании при двухцветном воздействии на диэлектрик, филаментация и генерация суперконтинуума в жидкостях, газах высокого давления и сверхкритических флюидах, исследования динамики пост-эффектов, развивающихся после воздействия высокоинтенсивного фемтосекундного лазерного импульса на вещество [F.V. Potemkin, E.I. Mareev, A.A. Podshivalov, V.M. Gordienko, “Laser control of filament-induced shock wave in water”, Laser Physics Letters, 11, 106001 (2014), F. V. Potemkin, E. I. Mareev, A. A. Podshivalov, V. M. Gordienko Highly extended high density filaments in tight focusing geometry in water: from femtoseconds to microseconds // New Journal of Physics. — 2015. — Vol. 17. — P. 053010, F. V Potemkin, B. G. Bravy, V. I. Kozlovsky, Y. V Korostelin, E. A. Migal, Y. P. Podmar’kov, A. A. Podshivalov, V. T. Platonenko, V. V Firsov, M. P. Frolov, and V. M. Gordienko, “Toward a sub-terawatt mid-IR (4–5 ? m) femtosecond hybrid laser system based on parametric seed pulse generation and amplification in Fe 2+?:ZnSe,” Laser Phys. Lett., vol. 13, no. 1, p. 015401, 2016; Баграташвили В.Н., Гордиенко В.М., Мареев Е.И., Минаев Н.В., Рагульская А.В., Потемкин Ф.В. Генерация суперконтиннума в режиме филаментации мощными фемтосекундными лазерными импульсами в сверхкритическом ксеноне и диоксиде углерода, Сверхкритические флюиды: теория и практика, 10 (4), 67–72 (2015)]. Более половины исполнителей проекта являются молодыми участниками (менее 35 лет), среди которых студентны и аспиранты, имеющие публикации по теме исследований (Мареев Е.И., Безсуднова Ю.И., Пушкин А.В., Мигаль Е.А.)

Будет впервые в мире создан фемтосекундный лазерный комплекс, генерирующий излучение в ближнем ИК диапазоне (1.24 мкм), с компактным стретчером/компрессором на основе объёмной чирпированной брэгговской решётки и дополнительным решёточным компрессором с возможностью управления чирпом выходного излучения лазера и выходными параметрами 2-3 мДж, 10 Гц, 200 фс. Острая фокусировка высокоинтенсивного лазерного излучения ближнего и среднего ИК диапазона позволит на микромасштабах, ограниченных рэлеевской длиной (несколько десятков микрон), оптимизировать получение спектра нелинейно-оптических гармоник в режиме предельной интенсивности и при формировании микроплазмы. Возможность изменять дисперсионные и нелинейно-оптические свойства конденсированной и плотной газообразной среды (как локально, так и во всём объёме) позволит глубже разобраться в физической основе формирующегося нелинейно-оптического отклика, установить влияние лавинной ионизаци. Использование излучения ближнего ИК диапазона, как реперного канала, позволит провести сравнительный анализ характера наблюдаемых явлений. Добавление второго импульса в коротковолновой области спектра (УФ или видимый) позволит создать новое экстремальное состояние вещества в микрообъеме с контролируемыми параметрами по сигналу нелинейно-оптических гармоник, который может быть эффективно применён с целью дальнейшего повышения интенсивности нелинейно-оптических гармоник.