ИСТИНА

Проект направлен на решение фундаментальной задачи о формировании непрерывных световых и плазменных каналов, а также долгоживущих каналов показателя преломления среды, при фемтосекундной филаментации на протяженной трассе в газах. Для проведения исследований будет использована воздушная трасса длиной до 50 м для распространения регуляризованного амплитудной сеткой или фазовым транспарантом мощного фемтосекундного лазерного излучения тераваттной титан-сапфировой лазерной системы (805 нм, 50 фс, энергия до 100 мДж, 10 Гц). На основе диагностики пространственных распределений плотности энергии с помощью широкого спектра методик будут найдены режимы оптимальной регуляризации, когда в одной ячейке сетки формируется один филамент и стохастической, когда в одной ячейке сетки несколько филаментов конкурируют между собой. Для каждого из этих режимов будут измерены ключевые характеристики, определяющие энерговклад в среду и формирование волноводных каналов. Будет исследован новый режим подавления филаментации, когда в одной ячейке сетки пиковой мощности недостаточно для развития одного филамента, и определен энерговклад в среду, связанный с возбуждением вращательных переходов молекулярных газов. Будут найдены режимы каналирования наносекундного лазерного пучка высокой (до 40 МВт) пиковой мощности, распространяющегося соосно с фемтосекундным пучком. Акустический и тепловой волноводы будут впервые исследованы на протяженной трассе для регулярного массива, состоящего из более чем четырех филаментов. Результаты проекта критически важны для задач удаленной диагностики, инициирования электрических разрядов и др.

The project is aimed at formation of uninterrupted light and plasma channels as well as the long-lived refractive index perturbations in air initiated by extended femtosecond filamentation in gases. For our research we will design a 50 m air path inside the building for the propagation of the beam from Ti:Sapphire laser amplification system (805 nm, 50fs, 100mJ, 10Hz). At the laser system output the beam will be regularized by means of the amplitude or phase mask. By analyzing the fluence distribution in the transverse beam section and along the propagation direction using the developed by us variety of techniques, we will find the optimum regularization scenario with one filament formed per a mesh cell. We will study stochastic filamentation regime corresponding to formation of multiple filaments competing within a cell. By decreasing the number of critical powers for self-focusing within a cell, we will reach a new regime of suppressed filamentation with the lack of even a single filament per a cell. In this latter regime the contribution of excited rotational transitions in molecular gases to the energy deposited into the medium will be defined. We will find the regime for guiding 40 MW nanosecond pulse propagating collinearly with a 50 fs femtosecond pulse. The first registration and study of acoustic and thermal waveguides produced by the regularized array of more than 4 filaments will be implemented within the frameworks of our project. The results of our project are important for remote sensing, discharge initiation and directed energy applications.

1. Проведение комплексных измерений множественной регуляризованной филаментации на лабораторной трассе в режиме слабой и умеренной фокусировки излучения (f/300 и более длиннофокусной). Определение методики создания одного регулярного или нескольких стохастических филаментов и горячих точек в ячейке сетки (фазового транспаранта). Создание концепции мобильного диагностического стенда, определение ключевых методик для измерений. 2. Схема для проведения измерений на протяженной атмосферной трассе, в том числе схема транспортировки чирпированного излучения и мобильного лазерного компрессора. 3. Модель, описывающая возбуждение вращательных уровней двухатомных молекул сильным лазерным полем и обратное влияние молекулярных вращений на поле мощного излучения (включая поглощение). Модель необходима для учета поглощения субтераваттного фемтосекундного лазерного излучения, распространяющегося в режиме подавления филаментации. Кроме того, поглощение за счет возбуждения вращательных уровней двухатомных молекул составит часть от общего поглощения излучения при филаментации в воздухе. 4. Определение практического размера расчетных сеток для расчета регуляризованной филаментации с четырьми и более ячейками сетки (фазового транспаранта). Тестовые расчеты,выявление особенностей нового режима распространения с подавлением филаментации, в том числе, определение расстояния подавления филаментации в зависимости от мощности в одной ячейке сетки и количества ячеек. 5. Численное моделирование распространения в условиях эксперимента, определение условий формирования одного филамента и стохастической филаментации внутри ячейки сетки (фазового транспаранта). 6. Параметры лазерного пучка перед фазовой/амплитудной маской (энергия, диаметр и т.д.), необходимые для создания дефектов в объеме диэлектрика, и геометрия оптической системы, при которой расстояние между пучками в области воздействия сравнимо с диаметром каждого пучка в этой области.

Совместная научная работа руководителя проекта экспериментаторов и теоретиков научной группы проводится с 2006 года, первая совместная публикация [Applied Physics B 91, 35 (2008)] относится к 2008 году. Экспериментаторы группы имеют огромный опыт эксплуатации мощных фемтосекудных лазерных систем, характеризации фемтосекундного оптического [Journal of the Optical Society of America B 27, 667 (2010), Laser Physics Letters 14, 035401 (2017)], а также интерферометрической [Physics of Plasmas 21, 093103 (2014)] и акустической [Laser Physics Letters 13, 095401 (2016)] диагностики фемтосекундной лазерной плазмы. Основные результаты группы состоят в следующем: (1) показана компрессия фемтосекундного импульса до 10 фс в филаменте в коллимированой геометрии [Appl. Phys. B 91, 35 (2008); JOSA B 27, 667 (2010)]; (2) продемонстрировано формирование в спектре филамента инфракрасного крыла, обладающего свойствами рамановского солитона [Appl. Phys. B 110, 123 (2013), Applied Physics B 120, 383 (2015)]; (3) установлено, что рамановская инфракрасная световая пуля выступает затравкой для четырёхволнового смешения в филаменте с генерацией сигнального излучения в видимой области спектра [Laser Phys. Lett. 11, 125302 (2014); J. Phys. B 48, 094017 (2015)]; (4) обнаружена инфракрасная коническая эмиссия филамента в фокусированной геометрии [Laser Phys. Lett. 14, 035401 (2017)]; (5) зарегистрирован акустический сигнал фемтосекундной лазерной плазмы одиночного филамента и их пучка [Laser Phys. Lett. 13, 095401 (2016)].