ИСТИНА

Целью проекта является разработка новых оптических методов диагностики процессов взаимодействия излучения с веществом на аттосекундной временной шкале, включая исследование аттосекундной динамики электронного туннелирования в прозрачных диэлектриках и газовых средах, которые могут составить альтернативу существующим методам, основанным на прямой регистрации свободных электронов. В ходе выполнения проекта решаются следующие задачи: (1) Разработка оптических методов диагностики процессов взаимодействия излучения с веществом на аттосекундной временной шкале, включая исследование аттосекундной динамики электронного туннелирования в прозрачных диэлектриках и газовых средах, с помощью сверхкоротких импульсов со стабилизированной фазой. Предлагаемый метод аттосекундной метрологии твердых тел и газовых сред основан на детектирование нелинейного оптического сигнала - генерации четных оптических гармоник, возникающих в результате модуляции электронной плотности в процессе их туннельной ионизации и спектрально и пространственно отделенных от других нелинейно-оптических процессов. Предлагаемый метод открывает альтернативные возможности для исследования систем, в которых традиционные методики аттосекундного детектирования, основанные на прямой регистрация свободных электронов, не могут быть осуществлены. (2) Исследование генерации перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического цикла поля, возникающих в результате взаимодействия сверхкороткого оптического импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной (рамановской) среды. (3) Разработка методики генерации мощных аттосекундных импульсов в ВУФ области спектра и характеризация предельно коротких оптических импульсов с помощью интерферометрии высокочастотного спектрального сдвига при ионизации среды и образовании плазмы. (4) Развитие оптических методов регистрации процессов взаимодействия предельно коротких импульсов с биологическими тканями и молекулами.

Выполнено экспериментальное детектирование оптических гармоник, генерируемых под влиянием модуляции электронной плотности, индуцированной туннельной ионизацией. Показано, что вклад туннельной ионизации может быть с помощью оптических методов выделен из ряда сопутствующих механизмов нелинейно-оптического отклика при использовании неколлинеарной схемы "накачка-зондирование". В ряду ранее продемонстрированных методов аттосекундной метрологии газов, плазмы и плёнок, основанных на непосредственной регистрации заряженных частиц, детектирование время-разрешённого оптического сигнала, возникающего в результате туннельной ионизации и свободного от постороннего фона, занимает особое место и открывает интересные альтернативные возможности для исследования систем, в которых прямая регистрация свободных электронов не может быть осуществлена Показана возможность генерации перестраиваемых по частоте световых импульсов мультигигаваттной мощности длительностью меньше половины оптического цикла поля в результате взаимодействия сверхкороткого оптического импульса и импульсно возбужденных сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационно-активной (рамановской) среды. В результате такого взаимодействия формируется связанное состояние, динамика которого подвержена сильному влиянию солитонных эффектов, предотвращающих увеличение длительности оптических импульсов больше длительности цикла оптического поля и обеспечивающих эффективное импульсное возбуждение сверхбыстрых молекулярных колебаний комбинационного (рамановского) типа на больших длинах распространения в заполненном газом полом волноводе. Продемонстрирован новый метод, позволяющий регистрировать динамику ионизации электронов в твердых прозрачных диэлектриках на аттосекундной временной шкале с помощью нелинейно-оптического процесса генерации оптических гармоник, вызванного модуляцией плотности свободных электронов в процессе ионизации. Используемая неколлинеарная техника “накачка-зондирование” с высоким временным и спектральным разрешением позволяет отделить (как по времени, так и по спектру) эти гармоники от других сопутствующих нелинейно-оптических процессов в среде. Была продемонстрирована сильная зависимость исследуемого сигнала, вызванного ионизацией среды, от интенсивности импульсов накачки, а также от величины ширины запрещенной зоны материала. Наша техника представляет альтернативный подход к традиционным аттосекундным измерениям и метрологии, основанным на регистрации заряженных частиц или спектроскопии высших оптических гармоник, а также обеспечивает новые функциональные возможности для различных методик спектроскопии и визуализации аттосекундной электронной динамики в больших молекулярных системах и твердых телах. Продемонстрирована когерентная генерация суперконтинуума гармоник низкого порядка с микроджоулевым уровнем энергии в глубоком и вакуумном ультрафиолете (4-9 эВ), возникающего в результате нелинейного преобразования лазерного импульса накачки длительностью порядка одного цикла поля в кювете с газом. Теоретически показано, что образование этих гармоник связано с новым нелинейным режимом, который обеспечивает генерацию мощных фемтосекундных лазерных импульсов в области глубокого и вакуумного ультрафиолета. Наши исследования открывает путь к реализации спектроскопии в схеме “накачка-зондирование” валентных электронных состояний атомов, молекул, а также конденсированного вещества. Показано, что пространственно-временная динамика сверхкоротких лазерных импульсов экстремальных мощностей в филаментационном режиме может приводить к самокомпрессии субпетаваттных импульсов до релятивистских интенсивностей и длительностей менее одного цикла поля. С помощью суперкомпьютерного моделирования демонстрируется самокомпрессия импульсов энергией 6 Дж и длительностью 30 фс на центральной длине волны 800 нм в суб-100-тераваттные импульсы с широким спектром и длительностью до 1.3-фс. Показана возможность генерации суб-фемтосекундных импульсов релятивистской интенсивности в условиях отсутствия множественной филаментации при низком давлении газа и балансе между керровской и ионизационной нелинейностями, что достигается и регулируется за счет опустошения внешней оболочки атомов интенсивным лазерным полем. Экспериментально получены импульсы длительностью меньше периода оптического поля в области среднего ИК диапазона в результате конического излучения в лазерно-индуцированном филаменте. Импульсы основного излучения и второй гармоники от 25-фс импульсов с выхода Ti:sapphire усилителя были сфокусированы в аргон для получения фазово-стабильного широкополосного излучения в среднем ИК, которое генерируется в виде кольца, которое хорошо фокусируется. Профиль пучка и спектр поля в среднем ИК-диапазоне были точно воспроизведены с помощью анализа, основанного на процессе четырёхволнового смешения. Кольцевидная структура пучка возникает в результате существенного различия конфокальных параметров поля среднего ИК диапазона и лазерного пучка накачки. Развита качественная теория генерации аттосекундных импульсов в релятивистских сгустках сверхплотной плазмы. Теория построена на подробном анализе и сопоставлении траекторий электронов со случаем генерации синхротронного излуения. Продемонстрированный анализ может служить инструментом для исследования и оптимизации возбуждаемых мощными лазерными импульсами релятивистских источников импульсов когерентного излучения с длительностями нескольких циклов поля в рентгеновском и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах. Развиты методы диагностики и когерентного контроля электронной динамики в нейтральной газовой среде аттосекундными лазерными импульсами на основе аттосекундной разрешенной по времени памп-проб спектроскопии поглощения благородных газов. Показано, что количественной характеристикой неинвазивности нелинейно-оптических методик визуализации биологических сред может служить величина, показывающая какое количество электронов образуется в среде при ее лазерном облучении на каждый испускаемый фотон нелинейно-оптического сигнала. Для большого количества биологических красителей и биоактивных маркерных белков данное соотношение приближается к критическому значению единице при интенсивности электромагнитного поля выше 1 ТВт/см2. В наших исследованиях получена система замкнутых приближенных аналитических выражений, показывающих ограничения связанные с прямой ионизацией среды ухудшения, а также критической частоты повторения сверхкоротких лазерных импульсов.