ИСТИНА

В ходе выполнения проекта выполняется комплекс экспериментальных и теоретических исследований, включающих изучение широкого класса физических явлений, таких как лазерная филаментация сверхкоротких импульсов в среднем ИК-диапазоне и исследование путей использования этого явления для передачи на большие расстояния мощных ИК-импульсов, генерациия терагерцового излучения и оптических гармоник, дистанционная диагностика атмосферы, формирование импульсов среднего ИК-диапазона длительностью около одного цикла поля, а также развитие новых схем спектроскопии и микроскопии биологических систем. Для достижения этих целей используются уникальные лазерные источники мощных сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона, созданные в лаборатории вносящей настоящей проект научной группы. Теоретическая работа по предлагаемым исследованиям включает в себя выяснение фундаментальных свойств оптических нелинейностей материалов в диапазоне среднего ИК, а также обобщение моделей распространения сверхкоротких импульсов на диапазон среднего ИК.

На основе технологии оптического параметрического усиления чирпированных импульсов в поле пикосекундных импульсов лазерной накачки с энергией на уровне 1 Дж реализована генерация импульсов среднего ИК-диапазона с длительностью импульса менее 100 фс и пиковой мощностью свыше 0.3 ТВт. Выявлены основные режимы и физические сценарии пространственно-временной динамики мощных сверхкоротких ИК импульсов в газовой среде. В ходе проведения экспериментов определены условия филаментации фемтосекундных импульсов в воздухе. Исследования демонстрируют возможность передачи через атмосферу импульсов электромагнитного излучения с энергией свыше 20 мДж в режиме одиночного лазерного филамента. В представленных экспериментах реализованы новые режимы генерации оптических гармоник, а также выяснены условия и предложены методы филаментационной компрессии субтераваттных импульсов среднего ИК-диапазона до длительностей, соответствующим нескольким периодам светового поля. Использование фемтосекундных импульсов на длине волны 3.9 мкм с энергией до 30 мДж позволило определить режимы наиболее эффективного спектрального преобразования излучения при формировании протяженного лазерного филамента, позволяющего сохранять высокую интенсивность света на протяженной дистанции. Исследованы происходящие в твердом теле нелинейно-оптические явления, позволяющие проводить компрессию импульсов среднего ИК диапазона до длительности несколько периодов электромагнитного поля. Продемонстрирована генерация перестраиваемых по частоте импульсов длительностью менее трех периодов поля на длинах волн от 4.2 до 6.8 мкм в кристалле арсенида галлия. Данный подход позволил сгенерировать волновые формы длительностью до 1.5 электромагнитного поля на центральных длинах волн от 5.9 до 6.3 мкм с пиковой мощностью до 60 МВт. Продемонстрирована методика измерения и характеризации сверхкоротких лазерных импульсов среднего ИК диапазона длительностью несколько периодов поля на базе оптического стробирования с разрешением по частоте на основе четырехволнового взаимодействия в газе. Использование кросс-корреляционной методики на основе ЧВВ процесса позволяет отобразить всю область генерации сверхкоротких лазерных импульсов шириной более двух октав в среднем ИК диапазоне в спектральную область шириной около 50 нм в видимой части спектра. Это позволяет анализировать перестраиваемые по частоте сверхкороткие импульсы и следить за формированием их сложного временного профиля при взаимодействии с молекулярными колебательно-вращательными модами газов и при нелинейно-оптических преобразованиях. Показано, что динамика ионизации за время, меньшее цикла поля, является ключевым физическим фактором, который контролирует свойства оптической нелинейности как функции несущей длины волны и интенсивности лазерного поля накачки. Для высокоинтенсивных полей с малой частотой показано преобладание свободных электронов в общем нелинейном отклике квантовой системы. В этом режиме основные свойства нелинейного отклика квантовой системы могут быть достаточно точно описаны в терминах полуклассического нелинейного тока электронов, модулированного полем накачки. На втором этапе выполнения проекта исследованы фундаментальных свойств нелинейно-оптического отклика вещества на сверхкороткие импульсы среднего ИК-диапазона. Проведено экспериментальное и теоретические исследование взаимодействия сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона с молекулярными и атомными газовыми средами и твердотельными полупроводниковыми материалами. Исследовано явление филаментации сверхкоротких мощных лазерных импульсов среднего ИК диапазона в твердых телах и газовых средах. Изучены возможности временной компрессии сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона в режиме свободного распространения в газовых средах и твердотельных материалах, а также в волноводных режимах распространения. Исследованы физические сценарии пространственно-временной динамики сверхкоротких лазерных импульсов, позволяющих сформировать импульсы длительностью, близкой периоду поля. Проведено обобщение теории фотоионизации прозрачных диэлектриков (теории Келдыша) на импульсы электромагнитного излучения произвольной формы и длительности; разработаны модели фотоионизации в твердом теле с учетом реального закона дисперсии.