Нелинейная оптика мощных импульсов среднего ИК диапазона в атмосфере

Изучение новых физических явлений, возникающих при воздействии на вещество интенсивных сверхкоротких электромагнитных импульсов среднего инфракрасного (ИК) диапазона, является одной из наиболее интересных, актуальных и сложных задач современной оптической физики.

Одна из заметных современных тенденций развития оптической физики и лазерных состоит в освоения инфракрасного (ИК) диапазона, в частности создания новых источников мощных сверхкоротких импульсов в этом спектральном диапазоне. Важность продвижения в диапазон среднего ИК обусловлена существованием новых режимов взаимодействия излучения с веществом относительно видимого и ближнего ИК диапазона и заключающегося в существенном увеличения эффективности преобразования лазерного излучения в энергию взаимодействующих с лазерным полем электронов, повышением эффективности лазерного ускорения частиц и генерации оптических гармоник, повышением порогов нежелательных нелинейно-оптических процессов, возможностью увеличения энергии и пиковой мощности сверхкоротких лазерных импульсов, передаваемых на большие расстояния в режиме филаментации, а также возможностью реализации новых методов спектроскопии и микроскопии физических, химических и биологических объектов.

В нашей группе ведутся исследования фундаментальных нелинейно-оптических явлений, протекающих при взаимодействии мощных сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона с веществом, выяснение фундаментальных свойств оптических нелинейностей материалов в среднем инфракрасном диапазоне. Для достижения этих целей нами используются уникальные лазерные источники мощных сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона, имеющийся в распоряжении нашей группы на территории Российского Квантового Центра (Сколтех, Сколково). Реализованная в системе технология оптического параметрического усиления позволяет достичь качественно нового уровня пиковой мощности фемтосекундных импульсов в среднем ИК-диапазоне, а именно получать импульсы длительностью короче 100 фс, энергией свыше 25 мДж и центральной длиной волны 3.9 мкм, что позволяет получать импульсы с субтераватном уровнем пиковой мощности (0.5 ТВт), делает эту систему одной из уникальных в мире для данного спектрального диапазона и что позволяет исследовать новые эффекты пространственно-временной динамики мощных электромагнитных полей

Лазерная филаментация субтераватных импульсов среднего инфракрасного диапазона. Мощные сверхкороткие лазерные импульсы способны формировать протяженные плазменные сгустки — лазерные филаменты, в которых динамические условия самофокусировки и добавка к показателю преломления связанная с формированием свободных электронов приводят к обеспечению условия волноводного (бездифракционого) распространения энергии. Для возникновения лазерного филамента в среде с коэффициентом оптической нелинейности n2 и показателем преломления n0 пиковая мощность сверхкороткого лазерного импульса должна быть заметно выше критической мощности самофокусировки для данной среды. Для твердых тел такие условия достигаются достаточно просто, но для филаментационного режима в газах, в частности атмосферном воздухе требуются достаточно высокие уровни энергии, которые достигаются в условиях современного развития лазерной техники, особенно с помощью лазерных систем на кристалле Ti:Sapphire, генерирующих импульсы среднего инфракрасного диапазона. Для среднего инфракрасного диапазона достижение пиковых мощностей фемтосекундных импульсов среднего ИК-диапазона, достаточных для формирования лазерных филаментов при нормальных атмосферных условиях, представляет сложную задачу. Нами был впервые реализован режим филаментации импульсов среднего ИК-диапазона в атмосферных условиях для пиковой мощностью в диапазоне 0.2 – 0.3 ТВт. Явление филаментации в атмосфере наблюдается в широком диапазоне фокусных расстояний фокусирующей излучение среднего ИК- диапазона линзы. Были исследованы различные режимы филаментации, в том числе множественной, для различных газов и давлений. Лазерный филамент является чрезвычайно интересным физическим объектом, в котором эффективно реализуется ряд нелинейно-оптических эффектов, таких как сверхуширение спектра, генерация оптических гармоник, формирование импульсов с предельно малой длительностью.

Спектральная эволюция субтераваттных импульсов среднего ИК-диапазона — излучение суперконтинуума в среднем ИК и генерация оптических гармоник. Ввиду того, что филаментация сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона сопровождается многими новыми эффектами, не наблюдающимися в случае лазерных филаментов в ближнем инфракрасном диапазоне, представляется полезным сравнить физическую картину филаментации в среднем ИК-диапазоне с хорошо изученным сценарием лазерной филаментации в ближнем ИК. Как и в случае лазерной филаментации в среднем ИК, для филаментов, формируемых сверхкороткими импульсами ближнего ИК-излучения, наблюдается эффективное уширение спектра, вызванное нелинейно-оптическими взаимодействиями, существенно усиленными в условиях лазерной филаментации благодаря подавлению на протяженных участках оптической длины дифракционной расходимости лазерного пучка. Однако спектральное уширение в длинноволновой части спектра для импульсов с центральной длиной волны 3.9 мкм ограничивается молекулярными полосами поглощения атмосферы. В результате этого эффекта, интенсивное красное крыло, ярко выраженное для филаментов в ближнем ИК и испытывающее усиление при увеличении энергии лазерного импульса, оказывается сильно подавленным в случае филаментов среднего ИК-излучения.

Пространственно-временная динамика субтераваттных сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона в атмосфере является достаточно сложной, в том числе для различных частей импульса. Это различие связано с динамикой электронной плотности, нарастающей от фронта импульса к его спаду. Передний фронт импульса вызывает ионизацию воздуха, формируя поперечный профиль электронной плотности, спадающий от центра пучка к его периферии. Такой профиль электронной плотности приводит к дефокусировке центральной части пучка и особенно его спада, часто приводит в случае достаточно протяженных филаментов к заметному истощению поля накачки вдоль филамента. При надлежащем выборе условий фокусировки удается достичь баланса между самофокусировкой пучка и его дефокусировкой на поперечном профиле электронной плотности, в этом режиме длина филамента может составлять несколько метров, открывая уникальные возможности для дистанционного зондирования атмосферы и передачи мощных лазерных импульсов на большие расстояния.

Компрессия мощных сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона также может эффективно реализовываться в лазерном филаменте. Эффективное спектральное уширение мощных сверхкоротких импульсов, усиленное явлением филаментации, открывает широкие возможности для временного сжатия импульсов и формирования сверхмощных всплесков электромагнитного излучения длительностью несколько периодов светового поля. Основанные на филаментации методы компрессии мощных световых импульсов ближнего ИК-диапазона широко используются в современных оптических технологиях, однако для среднего ИК диапазона наши работы внесли существенный вклад в понимание этих механизмов. Временная компрессия широкополосных полей, генерируемых филаментами в ближнем ИК-диапазоне, может осуществляться с помощью стандартных методов компенсации фазовых сдвигов в пластинах материала с надлежащим образом подобранной дисперсией.