2013: Впервые наблюдена лазерная филаментация в среднем инфракрасном диапазоне

2013-filamentation-mid-IR.jpg

Совместные исследования физиков из Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова и Венского технического университета позволили впервые наблюдать явление филаментацию сверхкоротких лазерных импульсов в среднем инфракрасном диапазоне.

Филаментация сверхкоротких лазерных импульсов – одно из наиболее захватывающих последних открытий в оптической физике. Как физическое явление, оно включает в себя сложную, сильно связанную пространственно-временную динамику оптического поля в нелинейной быстро ионизирующейся среде, вызывая уникальные режимы сверхбыстрой электродинамики. В этом режиме распространения сверхкоротких импульсов баланс между керровской самофокусировкой и плазменной дефокусировкой позволяет локализовать лазерный пучок на дистанции больше длины Рэлея, поддерживая очень высокую интенсивность лазерного излучения. Это дает радикальное усиление нелинейно-оптических процессов в области филамента. В науке о сверхбыстых оптических процессах лазерная филаментация находит всё больше приложений как мощный метод компрессии импульсов, позволяя генерацию оптических полей высокой пиковой мощности, длительностью несколько оптических периодов, со стабилизированной фазой несущей относительно огибающей импульса, в широком частотном диапазоне от глубокого ультрафиолетового до ближнего и среднего инфракрасного. Помимо огромного разнообразия новых пространственно-временных нелинейно-оптических явлений, фемтосекундные филаменты открывают новые перспективы во многих важных приложениях, таких как спектроскопия дистанционного зондирования атмосферы, управление высоковольтными разрядами, конденсация воды, источники терагерцового излучения.

На настоящий момент времени экспериментальные исследования фемтосекундной филаментации импульсов намеренно проводятся на длинах волн, отстоящих от длины волны 0.8 мкм стандартных фемтосекундных титан-сапфировых лазеров. Фемтосекундная филаментация с длинноволновыми источниками представляет особое внимание из-за увеличения критической мощности самофокусировки с длиной волны лазера. Реализация фемтосекундной филаментации в среднем ИК спектральном диапазоне позволила бы преодолеть ограничения текущей 0.8-мкм технологии. Во-первых, суперконтинуум в среднем ИК спектральном диапазоне необходим, чтобы достичь характерного для молекул спектральной области фундаментальных колебательных и вращательных переходов на длинах волн >2.5 мкм. Во-вторых, комбинация больших длин волн и высокой интенсивности импульса гарантирует туннельный механизм ионизации и усиливает терагерцовое излучение из филамента. Наконец, высокая критическая мощность позволяет генерировать филаменты с энергией в 25 раз больше, чем на длине волны 0.8 мкм.

Недавно, в статье, опубликованной в Optics Letters 38, 3194–3197 (2013), cовместные исследования физиков из Московского государственного университета и Венского технического университета позволили впервые наблюдать явление филаментацию сверхкоротких лазерных импульсов в среднем инфракрасном диапазоне в атомарных и молекулярных газах: аргоне, азоте и кислороде. В аргоне продемострирована высокоэффективная генерация суперконтинуума с шириной спектра несколько октав, покрывающего часть ультрафиолетового, видимый, ближний и часть среднего инфракрасного спектрального диапазона. Спектры суперконтинуума на выходе филамента в молекулярных газах сильно отличаются от наблюдаемых в аргоне существенным красным сдвигом.

Для выявления физических механизмов генерации суперконтинуума проведено трехмерное суперкомпьютерное моделирование на вычислительных комплексах СКИФ-МГУ «Чебышёв» и «Ломоносов» Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. Результаты численного моделирования в хорошем согласии с экспериментом и показывают, что генерация гармоник низкого порядка и спектральное уширение импульса накачки являются основными физическими механизмами генерации суперконтинуума в аргоне. В азоте и кислороде, красный сдвиг спектров обусловлен усиленным рамановским эффектом, позволяющим эффективный сдвиг частоты сверхкоротких лазерных импульсов в сторону среднего инфракрасного диапазона. Говоря более детально, филаментация 80-фс 10-мДж лазерных импульсов с центральной длиной волны 3.9 мкм в азоте генерирует рамановски сдвинутый суперконтинуум, простирающийся на длинах волн от 2.5 до 6 мкм, а филаментация в кислороде дает 65% эффективность преобразования частот.