![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ФНКЦ РР |
||
Газовые среды на данный момент являются одними из наиболее привлекательных объектов для использования их в качестве детектора импульсного терагерцового излучения, обеспечивающими одновременно как широкополосность, так и когерентность процесса регистрации. Под когерентным детектированием подразумевается возможность получения не только амплитуды, но и фазы регистрируемого сигнала. Процесс регистрации, основанный на явлении нелинейного взаимодействия терагерцовой волны и волны оптического излучения на нелинейной оптической восприимчивости третьего порядка газов, хорошо изучен и обеспечивает при определенных условиях линейность отклика детектора на регистрируемый сигнал. Однако до сих пор систематически не исследован аспект влияния ионизации среды на процесс взаимодействия терагерцового излучения с оптическим излучением накачки и на процесс регистрации терагерцового излучения. На данный момент существует лишь теоретическое рассмотрение такого влияния, проведенное в статье, опубликованное нашей научной группой в журнале ЖЭТФ в 2012 году. Поэтому данный проект направлен на экспериментальное изучение влияния ионизации на процесс регистрации и подтверждение выводов теории, а также исследование факторов, которые приводят к искажению линейности процесса детектирования в газовых средах.
)Создана экспериментальная установка, использующая высокоинтенсивные фемтосекундные (32 фс, 40 фс, 85 фс, 120 фс) лазеры для генерации и регистрации импульсного ТГИ в условиях оптического пробоя воздуха при атмосферном давлении. Определены практические параметры созданной установки (рабочий спектральный диапазон, динамический диапазон, отношение сигнал/шум). Установлены условия, обеспечивающие линейную когерентную регистрацию терагерцового импульса при его нелинейно-оптическом смешении в газовой среде с фемтосекундным импульсным излучением в присутствии статического поля. 2)Экспериментально реализован процесс детектирования с циркулярно-поляризованным лазерным излучением в плече детектирования. 3) Предложен и исследован метод детектирования импульсного терагерцового излучения в газовых средах в ТДС схеме на основе фототокового механизма генерации второй гармоники. Показано, что в случае использования фототоковго механизма удается зарегистрировать более высокочастотные компоненты сигнала. Однако в этом случае происходит увеличение ошибки в величине восстанавливаемого сигнала. Принципиальное ограничение на ширину спектрального диапазона в котором может быть корректно восстановлен сигнал налагает быстро нарастающая на высоких частотах ошибка в восстановлении фазы. 4) Рассчитана спектральная чувствительность детектора ТГИ на основе газовых сред, в случае когда доминирующими механизмами, ответственными за регистрацию являются нелинейная поляризация третьего порядка и нестационарный фототок свободных электронов, образовавшихся в процессе ионизации. 5) Восстановлен модельный терагерцовый сигнал при осуществлении его регистрации в газовых средах посредством терагерцово-оптической конверсии посредством двух основных механизмов: нелинейной поляризации третьего порядка и нестационарного фототока свободных электронов, образовавшихся в процессе ионизации. 6) Установлено, что изменение длительности лазерного импульса накачки позволяет осуществлять управление шириной спектра и положением частоты, при которой достигается максимум спектральной плотности мощности ТГИ, формируемого в условиях оптического пробоя газовых сред двумя фемтосекундными лазерными импульсами на основной частоте и частоте второй гармоники. 7) Предложен метод оценки амплитуды напряженности терагерцового импульса при осуществлении регистрации импульсного ТГИ в газовых средах. При генерации терагерцового излучения в условиях оптического пробоя двухчастотными лазерными импульсами с длительностью 120 фс, центральной длиной волны 800 нм, частотой повторения 1 кГц и энергией в импульсе 550 мкДж амплитуда напряженности терагерцового импульса, измеренного в точке максимума составляет величину 2,5±0,3 кВ/cм.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 3 сентября 2012 г.-31 декабря 2012 г. | Широкополосное и когерентное детектирование импульсного терагерцового излучения в газовых средах. |
Результаты этапа: 1)Создан импульсный терагерцовый спектрометр с разрешением по времени, обладающий следующими характеристиками: - Рабочий частотный диапазон: 0.3 – 5 ТГц при длительности входного лазерного импульса 150 фс. - Соотношение сигнал/шум, определенное для временного представления: 40. - Динамический диапазон: 40 дБ. - Эквивалентная мощность шума (NEP): 10^-10 Вт/Гц-0.5. - Чувствительность (с использованием синхронного усилителя): 10^5 В/Вт. 2)Показано, что газовые среды могут обеспечить режим когерентной линейной регистрации импульсного ТГИ в широком диапазоне изменения мощности излучения на фундаментальной частоте коммерчески доступных регенеративных усилителей лазерного излучения (для 150 фс). 3)Сравнение результатов моделирования с экспериментом позволило установить, что использование газовой среды обеспечивает регистрацию всех частот, заключенных в сигнале. В случае использование лазерного импульса с длительностью 150 фс спектр полоса генерации и регистрации в воздушной среде от 0.5 до примерно 7 ТГц. 4)Ограничения на режим линейного функционирования детектора на основе газовых сред вызваны следующими факторами: - появление плазмы между электродами в результате пробоя воздуха излучением на фундаментальной частоте (пробным пучком) либо вследствие лавинной ионизации и развития разряда между электродами при большой разности потенциалов между ними. Первый фактор ограничивает величину интенсивности в области фокуса пробного пучка значением и предполагает работу детектора в доионизационном режиме. Второй фактор ограничивает напряженность поля между электродами значением 15-20 кВ/см. - движением перетяжки пробного излучения при вариации мощности этого излучения вблизи большого значения. Данный фактор устанавливает требование неизменности мощности пробного пучка, т.к. любое изменение влечет за собой перенастройку детектора в обязательном порядке. - появление свободных электронов в области детектирующей перетяжки приводит к появлению отрицательной добавки к показателю преломления среды, что приводит к дефокусировке лазерного излучения, которая не позволяет увеличивать интенсивность лазерного поля пучка детектирования в области перетяжки. А поскольку интенсивность сигнала второй гармоники пропорциональна интенсивности лазерного излучения во второй степени, то это приводит к ограничению величины сигнала второй гармоники. 5)Впервые получены спектры низкочастотных колебаний биологических веществ: белка химотрипсина, модельного вещества триса, а также их комплексов с краун-эфиром. Использование лазерного излучения с длительностью около 40 фс, позволило осуществить исследование образцов в частотном диапазоне вплоть до 10 ТГц. | ||
2 | 14 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. | Широкополосное и когерентное детектирование импульсного терагерцового излучения в газовых средах. |
Результаты этапа: 1)Создана экспериментальная установка, использующая высокоинтенсивные фемтосекундные (32 фс, 40 фс, 85 фс, 120 фс) лазеры для генерации и регистрации импульсного ТГИ в условиях оптического пробоя воздуха при атмосферном давлении. Определены практические параметры созданной установки (рабочий спектральный диапазон, динамический диапазон, отношение сигнал/шум). Установлены условия, обеспечивающие линейную когерентную регистрацию терагерцового импульса при его нелинейно-оптическом смешении в газовой среде с фемтосекундным импульсным излучением в присутствии статического поля. 2)Экспериментально реализован процесс детектирования с циркулярно-поляризованным лазерным излучением в плече детектирования. 3) Предложен и исследован метод детектирования импульсного терагерцового излучения в газовых средах в ТДС схеме на основе фототокового механизма генерации второй гармоники. Показано, что в случае использования фототоковго механизма удается зарегистрировать более высокочастотные компоненты сигнала. Однако в этом случае происходит увеличение ошибки в величине восстанавливаемого сигнала. Принципиальное ограничение на ширину спектрального диапазона в котором может быть корректно восстановлен сигнал налагает быстро нарастающая на высоких частотах ошибка в восстановлении фазы. 4) Рассчитана спектральная чувствительность детектора ТГИ на основе газовых сред, в случае когда доминирующими механизмами, ответственными за регистрацию являются нелинейная поляризация третьего порядка и нестационарный фототок свободных электронов, образовавшихся в процессе ионизации. 5) Восстановлен модельный терагерцовый сигнал при осуществлении его регистрации в газовых средах посредством терагерцово-оптической конверсии посредством двух основных механизмов: нелинейной поляризации третьего порядка и нестационарного фототока свободных электронов, образовавшихся в процессе ионизации. 6) Установлено, что изменение длительности лазерного импульса накачки позволяет осуществлять управление шириной спектра и положением частоты, при которой достигается максимум спектральной плотности мощности ТГИ, формируемого в условиях оптического пробоя газовых сред двумя фемтосекундными лазерными импульсами на основной частоте и частоте второй гармоники. 7) Предложен метод оценки амплитуды напряженности терагерцового импульса при осуществлении регистрации импульсного ТГИ в газовых средах. При генерации терагерцового излучения в условиях оптического пробоя двухчастотными лазерными импульсами с длительностью 120 фс, центральной длиной волны 800 нм, частотой повторения 1 кГц и энергией в импульсе 550 мкДж амплитуда напряженности терагерцового импульса, измеренного в точке максимума составляет величину 2,5±0,3 кВ/cм. |
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".