ИСТИНА

Суперфиламенты это новое явление в распространении мощного электромагнитного излучения большой интенсивности, которое определяется когерентным взаимодействием изначально независимо формируемых и распространяющихся в пространстве множественных филаментов.Первые теоретические расчеты показали, что супперфиламенты существенно отличаются от обычных филаментов, формируемых мощными фемтосекундными импульсами большой интенсивности. Более того, супперфиламенты в различных диапазонах электромагнитного излучения должны отличаться принципиально разными свойствами. В предлагаемой работе выделены два частотных диапазона, видимый и терагерцовый при исследовании которых у авторов предлагаемого проекта есть существенный задел. Увеличение концентрации электронов, нелинейность эффективной среды филамента, в том числе фотоионизационной нелинейность, приводит к возможности наблюдения принципиально новых эффектов не наблюдаемых в обычных филаментнах. Предсказано, что эффективность генерируемого в плазме супперфиламента терагерцевого излучения должна существенно возрасти за счет преодоления эффекта дебаевской экранировки в одиночном филаменте. Распространение терагерцового излучения в пространстве суперфиламента имеет принципиально новые свойства, которые и будут исследоваться в рамках предлагаемого проекта. В рамках его выполнения мы исследуем как экспериментально, так и теоретически, динамику суперфиламентов и,в частности, генерацию в них терагерцевого излучения. Управление динамикой суперфиламентов будет осуществляться с использованием различных форм волнового фронта, задаваемых дифракционными оптическими элементами. Кроме того, нами будет осуществляться управление спектральным составом излучения. В частности, будут исследованы двухцветные филаменты и генерация в них терагерцевого излучения. Экспериментальная часть проекта будет реализована московской группой с использованием современной тераваттной лазерной системы. Теоретическая часть проекта будет основана на расширенном 3D+1 коде, описывающем распространения лазерного излучения в среде. Эта часть проекта будет выполняться совместно московской и ганноверской группами, что позволит получить существенный выигрыш от использования научного задела обеих групп и использовать компьютерные мощности суперкомпьютера Университета Ганновера. В теоретической части проекта мы проведем поддержку экспериментальных работ моделированием полной динамики полей и концентрации электронов в суперфиламентах. Помимо рассмотрения суперфиламентов, создаваемых одним лазерным излучением, мы рассмотрим два и большее число излучений с различными центральными длинами волн.

So-called super-filaments were discovered very recently and are different from “common” filaments”, formed by powerful femtosecond radiation, by higher intensity and higher density of free electrons. They appear due to the strong interaction of a multifilament bundle. One order of magnitude higher plasma density promises a higher degree of nonlinearity induced by photo-ionization. In particular efficiency of plasma-induced THz generation is to be increased by an order of magnitude. In this project we consider, both experimentally and theoretically, dynamics of super-filaments and in particular THz generation in super-filaments. Using different input pulse wavefronts controlled by diffractive masks will allow to control super-filament dynamics. Also, the spectral content of the input pulses will be controlled, in particular, two color superfilaments and THz radiation from them will be studied. The experimental part will be carried out in the Moscow group on a novel terawatt laser facility. Theoretical part is based on an extensive 3+1D beam propagation code and will be divided between Moscow and Hannover group, allowing both groups to profit from the strong computer cluster facility located in Hannover. In the theoretical part of our work we will support experiment by the comprehensive modelling of the dynamics of field and electron density in superfilametns. Beyond single-color super-filaments, we study two- and multi-color excitation as a possible source of high-energy sub-cycle THz pulses.

1. Будет развита и апробирована методика формирования Эрмит-Гауссовых мод и симметризованных пучков Эйри фемтосекундного лазерного пучка с помощью дифракционных оптических элементов. Будет создан ряд ДОЭ для формирования фемтосекундных пучков с 2, 4 и 8 максимумами амплитудного фронта при ширине спектра излучения около 20 нм и центральной длине волны 805 нм. Будет проведено численное исследование фокальной картины и тестирование созданных ДОЭ на непрерывных и фемтосекундном источниках излучения и измерение ключевых параметров сформированного пучка. 2. Будет создан экспериментальный стенд для исследования суперфиламентов (частотно- угловые спектры в видимом и ИК диапазонах, интерферометрия и теневое фотографирование, регистрация моды излучения в поперечном сечении пучка филаментов). 3. Будет разработана вакуумная кювета, стыкуемая с вакуумным компрессором, для размещения оптической схемы формирования лазерных пучков для схемы регистрации терагерцевого излучения (мощный задержанный пучок, чирпированный импульс, короткий импульс, см. рис.8) 4. Методом численного моделирования в приближении медленно меняющегося профиля будет найдена оптимальная амплитудно-фазовая модуляция, на основе которой будет создан ДОЭ для регуляризации множества филаментов либо в режиме получения максимальной длины плазменного канала, либо максимальной концентрации свободных электронов. 5. Для найденной оптимальной амплитудно-фазовой модуляции ДОЭ будет проведено моделирование импульса малой энергии на основе однонаправленного уравнения Максвелла с учетом быстроосциллирующей несущей (UPPE) и получена интерференционная картина различных частей пучка фемтосекундного импульса, прошедшего через ДОЭ. Неоднородности интенсивности в этой интерференционной картине будут служить затравкой для регуляризованной множественной филаментации и создания суперфиламента. 6. На основе фазового согласования элементарных источников терагерцевого излучения будет разработана модель для получения картины направленного распределения терагерцевого излучения при суперфиламентации.

Ранее была предложена схема для стабильной генерации оптических импульсов в несколько циклов с использованием коллимированного лазерного пучка [69-72]. Применение коллимированной геометрии пучка обеспечивает более аккуратное самоорганизованное формирование филамента без неустойчивостей и позволяет получить высокую стабильность от выстрела к выстрелу при генерации импульсов в несколько циклов даже для 10 Гц Ti: Sa лазерных систем. Экспериментальное сокращение импульса от 55фс до 8фс наблюдалось при филаментации в аргоне при давлении 0.9 атм. Формирование комбинационно-смещенных солитоно-подобных импульсов было экспериментально продемонстрировано при филаментации коллимированного лазерного пучка в молекулярных газах [73]. Было показано, что направление распространения смещенной в высокочастотную область спектра компоненты зависит от концентрации электронов внутри филамента [74-76]. Все экспериментальные результаты были проверены и дополнены результатами численного моделирования. Для описания филаментации и нелинейно-оптических процессов была разработана численная модель на основе уравнений Максвелла [77]. На основании этой модели был проведен расчет распространения и кросс-взаимодействия основной (генерирующей филамент) и второй гармоники лазерного излучения [77-79]. Группа численного моделирования МГУ исследует распространение фемтосекундных импульсов в условиях ионизации с начала 1990х [80]. Совместно с группой С. Л. Чина (университет Лаваль, Канада) руководитель теоретической группы МГУ О.Г.Косарева впервые выполнила численное моделирование распространения лазерного импульса в режиме филаментации [81]. Численно было рассчитано, что излучение суперконтинуума в филаменте имеет угловую структуру, была предложена физическая интерпретация этого явления [82].

Проведено сравнительное численное исследование фокальной картины, формируемой ДОЭ, согласованными с модами Эрмита-Гаусса и симметризованными пучками Эйри. Показано, что в отличие от дифракционной решетки пучки Эрмита-Гаусса и Эйри работают только в нулевом порядке дифракции, поэтому вся падающая энергия идет в полезную область. Фокальная картина, формируемая зеркальными пучками Эйри, похожа на картину мод Эрмита-Гаусса, но с лучшей равномерностью распределения интенсивности. (С. Н. Хонина, А. П. Порфирьев, С. A. Фомченков и др. «Формирование близкорасположенных световых пятен на основе лазерных зеркальных пучков Эйри» // Компьютерная оптика, т.41, с.661–669,(2017)) Экспериментально и численно исследована эволюция частотно-углового спектра излучения при филаментации лазерного импульса с длиной волны 800 нм в воздухе в режиме одиночного филамента в зависимости от расстояния вдоль распространения излучения. Обнаружено, что наряду с конической эмиссией в видимом диапазоне спектра с увеличением расстояния образуется несколько структур конической эмиссии в ближней ИК-области спектра. Такое поведение, типичное для филаментации в конденсированных средах, для газовой среды наблюдается впервые. (N.Panov, D.Pushkarev, D.Shipilo, et al «Near-infrared conical emission from 800-nm filament in air» // Laser Physics Letters, v.14, p. 035401 (2017)) Впервые экспериментально продемонстрировано, что при использовании для регистрации акустического сигнала пьезоприемика с полосой пропускания в несколько мегагерц можно добиться пространственного разрешения лучше, чем 100 мкм. Это позволяет предложить простой метод исследования пространственной структуры множественного филамента и суперфиламента. (E. Mitina, D. Pushkarev, D. Uryupina, et al. «Nonpertubing diagnostics of multiple filamentation and superfilamentation of powerful femtosecond laser pulses in air» //IEEE 2018 International Conference Laser Optics (ICLO) (2018)) На основе численного моделирования с помощью однонаправленного уравнения распространения в параксиальном приближении исследована динамика уширения спектра излучения филамента в воздухе, формируемого лазерным импульсом с длиной волны 3.9 мкм. Показано, что в случае линейной поляризации лазерного излучения формируется дискретный спектр нечетных гармоник, который по мере увеличения расстояния распространения филамента преобразуется в плато шириной в две октавы. Напротив, в случае круговой поляризации формируется суперконтинуум простирающийся вплоть до десятой гармоники основной длины волны. (N.A. Panov, D.E. Shipilo, V.A. Andreeva et al «Supercontinuum of a 3.9-μm filament in air: Formation of a two-octave plateau and nonlinearly enhanced linear absorption»// PRA 94, 041801(R) (2016)) На основе сравнительного анализа экспериментальных и численных данных исследованы особенности взаимодействия отдельных филаментов внутри стохастического множественного филамента и регуляризованного множественного филамента (амплитудная маска, фазовая маска с модой Эрмита-Гаусса ТЕМ11, дифракционная решетка, комбинация фазовых масок и т.п.). Показано, что: - что слияние четырех филаментов, получаемых с помощью амплитудной модуляции волнового фронта пучка, приводит к резкому, нелинейному росту линейной плотности поглощенной в среде энергии вследствие формирования суперфиламента. Наблюдаемый эффект не может быть интерпретирован в рамках простой модели конструктивной интерференции полей четырех взаимодействующих филаментов. Отношение линейной плотности энергии при слиянии четырех филаментов к таковой для одного такого же филамента составляет 20. (Д. В. Пушкарев, Е. В. Митина, Д. С. Урюпина и др. «Нелинейный рост энерговклада в среду при слиянии регуляризованных фемтосекундных филаментов» //Письма в "Журнал экспериментальной и теоретической физики", т. 106, с. 545–548, (2017)) - использование для создания волнового фронта с регулярной структурой фазовой маски, формирующей моду Эрмита-Гаусса ТЕМ11, приводит к образованию четырех отдельных филаментов вследствие скачка фазы между пучками. Причем, данный скачок фазы препятствует интерференции излучения между отдельными филаментами и ведет к концентрации энергии в области каждого из филаментов. Данный эффект может быть использован для создания волновода с помощью регулярно расположенного массива филаментов. (D. V. Pushkarev, E. V. Mitina, D. S. Uryupina,et al. «Transverse structure and energy deposition control by amplitude and phase beam regularization in multifilamentation regime» //IEEE 2018 International Conference Laser Optics (ICLO), (2018) // D. Pushkarev, D. Shipilo, A. Lar’kin, et al «Effect of phase front modulation on the merging of multiple regularized femtosecond filaments»//Laser Physics Letters, v.15, p. 045402, (2018)) Предложен новый метод оценки стабильности пространственного положения пучка мощного лазерного излучения без его прерывания на основе измерения акустического сигнала. Для этого широкополосный приемник (полоса пропускания ~6МГц) устанавливался на расстоянии нескольких миллиметров от искры, получаемой при филаментации или фокусировке лазерного импульса. Было получено, что в наших условиях пространственная стабильность положения пучка одиночного филамента составляет порядка 1 мкрад, что согласуется с оценкой стабильности пучка полученной стандартным методом при измерении пространственного положения моды в дальнем поле. (D.Pushkarev, E.Mitina, D.Uryupina et al In situ optoacoustic measurement of the pointing stability of femtosecond laser beams //Laser Physics Letters, v.15, p.025401, (2018)) Впервые экспериментально зарегистрировано терагерцевое излучение из двухцветного филамента в обратном направлении (по отношению к направлению распространения лазерного пучка). Его энергия оказалась в 25 раз меньше, чем энергия в прямом направлении, что позволило на основе интерференционной модели терагерцевого излучения филамента оценить длину источника в 0.3 мм. (A. A. Ushakov, M. Matoba, N. Nemoto, et al. «Backward terahertz radiation from the two-color femtosecond laser filament» //JETP Letters, v. 106, p.706–708, (2017)). Обнаружен эффект появления эллиптически поляризованного ТГц излучения в случае формирования двух-цветного филамента пучком, содержащим первую и вторую гармоники с контролируемой поляризацией. Было показано, что изменяя угол между направлениями поляризаций первой и второй гармоник можно управлять степенью эллиптичности поляризации ТГц излучения. Эллиптически поляризованное ТГц излучение появляется при угле 75 градусов между направлениями поляризации излучений на основной длине волны и второй гармоники и достигаем максимального значения (~0.5) при угле 85 градусов. Эффект резкого изменения состояния поляризации ТГц излучения продемонстрирован также с помощью численных расчетов на основе векторного однонаправленного уравнения распространения импульса. Кроме того, показано, что в среде с кубичной нелинейностью даже при умеренной степени эллиптичности поляризации ортогонально ориентированной второй гармоники (~1/3) достаточно для генерации существенно эллиптического ТГц излучения. (O.Kosareva, M.Esaulkov, N.Panov et al «Polarization control of terahertz radiation from two-color femtosecond gas breakdown plasma»// Optics Letters, v.43, p. 90-93 (2018)) Продемонстрировано, что скорость ионизации атома в сильном оптическом поле может существенно увеличиваться в присутствии долгоживущих атомных уровней (так называемых резонансов Фримана). Влияние данного явления наиболее существенно в режиме многофотонной ионизации. В тоже время нами показано, что наличие таких резонансов может приводить к стремительному образованию плазмы на временах менее одного периода оптического поля. Это нарушает сложившуюся последовательность ионизации и приводит к генерации макроскопических токов в плазме, которые продолжают существовать и после прохождения лазерного импульса. В свою очередь это приводит к появлению широкополосного спектра излучения в диапазоне от терагерцевого до видимого. (C. Brée, M. Hofmann, A. Demircan et al «Symmetry breaking and strong persistent plasma currents via resonant destabilization of atoms»// Phys. Rev. Lett. Phys. Rev. Lett. v.119, p. 243202) Показано, что при создании множественного филамента в режиме слабой фокусировки (фокусное расстояние линзы более 1 м) лазерного импульса с мощностью порядка 5-60 критических наблюдается формирование протяженного суперфиламента. Образование суперфиламента характеризуется значительным увеличением поглощенной объемной и линейной плотностей энергии (более чем на порядок) и наблюдается как при использовании пучков с регуляризованной амплитудной маской модой, так и для пучков с исходной модой. Измерения частотно-угловых спектров излучения показывают, что в случае регуляризованного амплитудной маской пучка суперфиламент распространяется по оси и обладает широким спектром, уширенным в ИК область. Если начальная пиковая мощность пучка не превышает 20 критических, то из-за сильного нелинейного взаимодействия между отдельными нитями внутри множественного филамента образуется один хороший суперфиламент. Его диаметр в несколько раз больше, чем диаметр одиночного филамента, а плотность электронов немного превышает плотность электронов одиночного филамента. Линейная плотность энергии суперфиламента увеличивается от нескольких мкДж/ см (обычный одиночный филамент) до 100 мкДж / см. Такой одиночный суперфиламент распространяется на значительные расстояния, а затем распадается за счет диссипации энергии. При увеличении энергии лазерного излучения формирутся более сложная пространственная структура: вначале образуется несколько суперфиламентов, по мере распространения излучения остается только один. Линейная плотность энергии одиночного суперфиламента постепенно возрастает по мере увеличения энергии лазерного импульса. (Pushkarev D.V., Mitina E.V., Zhidovtsev N.A. et al «Femtosecond laser superfilamentation under various focusing conditions» //International Conference on Ultrafast Optical Science (UltrafastLight-2018), Book of abstracts // E. Mitina, D. Pushkarev, D. Uryupina, et al. «Nonpertubing diagnostics of multiple filamentation and superfilamentation of powerful femtosecond laser pulses in air» //IEEE 2018 International conference Laser Optics (ICLO), (2018) // D.Pushkarev, E.Mitina, D.Shipilo et al «Spatial dynamics and energy deposition in air superfilament created by a subTW femtosecond laser» // New J. Phys, отправлено в печать) Представлены экспериментальные результаты по генерации терагерцевого излучения при мягкой фокусировке двуцветного субтераваттного фемтосекундного лазерного импульса в воздухе (длительность импульса 55фс, энергия 1-20 мДж, длина волны 800нм, диаметр пучка 7 мм). Обнаружено, что энергия терагерцевого импульса при F=30 см линейно зависит от энергии исходного лазерного импульса и существенно возрастает при увеличении фокусного расстояния до 50 см. Построена простейшая модель, адекватно описывающая наблюдаемые закономерности: зависимость от энергии лазерного импульса и фокусного расстояния. (Д.В. Пушкарев, А.А. Ушаков, Е.В. Митина и др. «Влияние фокусного расстояния линзы на энерговклад в среду и генерацию терагерцевого излучения при фокусировке двухцветного фемтосекундного излучения в воздухе» //Вестник МГУ. Серия физическая., принято в печать) Показано, что использование двумерного массив из нескольких плазменных каналов филаментов в газах атмосферной плотности приводит к эффективному увеличению терагерцового излучения, испускаемого в прямом направлении. По мере увеличения количества филаментов в массиве N x N увеличение энергии ТГц излучения на единицу полярного угла в центральном конусе превышает стандартный коэффициент усиления N^2. Двумерный массив филаментов может быть получен из реального неидеального эллиптического пучка с использованием фазовой маски для введения фазового барьера и блокирования взаимодействия между соседними нитями. Регуляризованный подобным образом множественный филамент может использоваться для управления диаграммой направленности терагерцевого излучения генерируемого суб-тераваттным двуцветным лазерным импульсом (800 нм + 400 нм). (O. Kosareva, N. Panov, D. Shipilo et al «Terahertz generation from single and multiple filaments in air» //EPJ Web of Conferences v. 195, p. 03013 (2018)) На основе численного моделирования исследовано влияние чирпа лазерного импульса на выход ТГц излучения из плазмы двуцветного филамента. Предложен путь оптимизации выхода ТГц излучения на основе выбора направления и значения чирпа лазерного импульса. Показано, что локальный минимум выхода ТГц излучения соответствует спектрально ограниченному лазерному импульсу (35 фс). При положительном и отрицательно чирпе (длительность импульса ~ 100 фс) наблюдаются два максимума выхода ТГц излучения. Эти максимумы асимметричны, а наибольший выход соответствует положительному чирпу. Причиной локального минимума для спектрально ограниченного импульса является групповое разбегание, усугубленное самосжатием 800 нм импульса и сдвигом высокоинтенсивной части пучка в направлении фронта начального импульса. Положительно чирпированный импульс оказывается более выгодным выбором, поскольку перекрытие импульсов первой и второй гармоник примерно на 15 фс больше по сравнению со спектрально ограниченным импульсом. Длинноволновые компоненты на фронте положительно чирпированного импульса второй гармоники догоняют импульс на основной длине волны и улучшают перекрытие необходимое для генерации ТГц излучения. (Z. Zhang, N. Panov, V. Andreeva, et al «Optimum chirp for efficient terahertz generation from two-color femtosecond pulses in air» //Applied Physics Letters, принято в печать)