Нелинейная генерация импульсов в экстремально широком спектральном диапазоне

Лазерное излучение среднего ИК диапазона позволяет генерировать более высокие порядки оптических гармоник в видимом и ультрафиолетовом (УФ) диапазоне по сравнению с лазерным излучением ближнего ИК диапазона. Так, при взаимодействии с газовой средой импульсов титан-сапфирового лазера на центральной длине волны 800 нм лишь третья гармоника лежит в диапазоне 200-750 нм, в то время как источник излучения на центральной длине волны 3.9 мкм создает в той же спектральной области нечетные гармоники с 7-го по 19-й порядок включительно.Таким образом, при распространении лазерного излучения среднего ИК диапазона в газовой среде увеличивается количество каналов резонансного связывания поля гармоник с частотами колебательных переходов молекул. Это, в свою очередь, может приводить к проявлению комбинационного стоксового усиления и антистоксового ослабления вблизи частоты соответствующего колебательного перехода двухатомной молекулы. В результате реализуется возможность одноимпульсной и однопучковой чувствительнойспектрохронографии молекулярных газов газов в области от ближнего ИК до вакуумного УФ диапазона, выявляющей информацию о динамике ориентирования и фазирования молекул в поле мощных сверхкоротких импульсов посредством связывания колебательных мод молекул с полемвысоких гармоник.

Среди схем преобразования частоты мощного лазерного излучения выделяется класс методик на основе нелинейно-оптического отклика плазмы, обусловленного генерацией плазменных токов. Ключевую роль при этом оказывает продольное электрическое поле кильватерной волны лазерного импульса. При малом отношении скорости нерелятивистского электрона к скорости света данное поле является слабым, но, однако, увеличивается пропорционально квадрату длины волны лазерного излучения. Таким образом, увеличение длины волны лазерного излучения должно приводить к существенному увеличению эффективности нелинейно-оптических взаимодействий, обусловленных продольными плазменными токами, а следовательно, обеспечивать более эффективную генерацию низкочастотного излучения. Наиболее ярким примером здесь может выступать явление филаментации – результата динамического баланса между нелинейной самофокусировкой мощного лазерного излучения в газовой среде и его дефокусировкой на градиенте электронной плотности индуцируемой плазмы. В зависимости от того, применяется ли одночастотная или двухчастотная (с подмешиванием в основное излучение поля второй гармоники) схема филаментации, возбуждаемые в филаменте продольные и поперечные плазменные токи становятся эффективным источником квазичеренковского низкочастотного континуума, достигающего терагерцовых (ТГц) и СВЧ частот. Подобная интерпретация филамента как низкочастотной антенны позволяет изучать фундаментальные аспекты динамики лазерно-индуцированной плазмы как при помощи фотоники, так и средствами СВЧ электроники с использованием соответствующих коаксиально-волновых переходов и рупорных антенн.

Ввиду достижения полной ионизации газовая среда накладывает ограничения на увеличение интенсивности взаимодействующих с ней лазерных импульсов и на эффективность их преобразования в высокочастотное излучение гармоник. Поэтому при исследовании субрелятивистских и релятивистских режимов взаимодействия лазерного излучения с веществом, а также для создания более ярких источников ультрафиолетового и субрентгеновского излучения закономерным является выбор поверхности твердотельной мишени в качестве материальной среды взаимодействия, куда можно доставить неограниченно большие значения энергии лазерного излучения. При этом стоит отметить, что ключевыми параметрами масштабирования при переходе от нерелятивистского к релятивистскому режиму взаимодействия лазерного излучения с веществом являются нормированный векторный потенциал и пондеромоторная энергия электрона, квадратично зависящие от длины волны лазерного излучения. Тем самым возникает актуальная задача применения лазерного источника среднего ИК диапазона при воздействии на твердотельную мишень, поскольку за счет уменьшения несущей частоты понижается и порог релятивистской интенсивности в сравнении с излучением ближнего ИК диапазона. При этом, несомненно, проведение данных экспериментов остается отнюдь не тривиальным ввиду важности создания подходящих условий вакуума для транспортировки излучения к твердотельной мишени без искажений пространственного и спектрального профилей, улучшения волнового фронта лазерного пучка средствами адаптивной оптики для более качественной фокусировки, а также применения различных методик регистрации высокоэнергетичных фотонов и электронов.

В субрелятивистском режиме высший порядок гармоник M, еще способный быть различимым, проявляет сильную зависимость не только от интенсивности, но также и от чирпа начального импульса: чтобы получить спектры гармоник с максимальным M, в лазерный импульс вносится чирп. Выполненный анализ при помощи PIC-моделирования выявил, что за счет механизма когерентного кильватерного излучения оптические гармоники излучаются цугами аттосекундных импульсов с переменным временным интервалом между отдельными импульсами внутри цуга. Положительное чирпирование импульсов лазерного поля способно частично компенсировать варьирование этого интервала, реализуя эффективную генерацию гармоник высших порядков в спектре излучения плазмы.

Проведение экспериментов по генерации гармоник в области вакуумного УФ от поверхности твердотельной мишени при воздействии на нее лазерными сверхкороткими импульсами среднего ИК диапазона предоставляет возможность создания компактных источников когерентного излучения УФ и субрентгеновского диапазона. Поляризационные и спектральные исследования гармоник высокого порядка вблизи плазменной частоты твердотельных материалов способствуют пониманию механизмов, лежащих в основе физики субрелятивисткой и релятивистской плазмы.