ИСТИНА

Стремительное развитие лазерных технологий открывает уникальные возможности исследования сверхбыстрых процессов в веществе с беспрецедентным временным разрешением. Разработанные в последние годы источники аттосекундных световых импульсов открывают пути решения одной из фундаментальных задач оптической физики -- задачи прямой регистрации аттосекундной электронной динамики и создание на этой основе методов время-разрешенной диагностики процессов взаимодействия излучения с веществом на аттосекундной временной шкале. В настоящем Проекте предлагаются новые методы когерентного контроля электронной динамики и спектрально-временных преобразований лазерных импульсов при их сверхбыстрых взаимодействиях с газовыми средами. Ожидается, что на основе предложенной программы исследований окажется возможным (1) развить методы эффективной генерации терагерцового излучения в процессе оптической ректификации импульсов среднего инфракрасного диапазона, (2) исследовать методы когерентного контроля электронной динамики в нейтральных атомах инертных газов, (3) найти новые режимы генерации гармоник сверхвысоких порядков с энергией до килоэлектронвольт фемтосекундными импульсами среднего инфракрасного диапазона в газовых средах, (4) реализовать генерацию мультиоктавного суперконтинуума от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона в результате солитонной самокомрпессии световых импульсов среднего инфракрасного диапазона в полых антирезонансных волноводах. Для выполнения экспериментальной части предлагаемой программы исследований будет использован уникальный лазерный источник мощных сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона на основе оптического параметрического усиления, созданный вносящей Проект научной группой. Экспериментальная программа будет полностью выполнена в в МГУ имени М.В.Ломоносова и Российском квантовом центре. Для выполнения трехмерного численного моделирования будут использованы суперкомпьютерные комплексы “Ломоносов” и “Ломоносов-2” МГУ имени М.В.Ломоносова. Научный и технический задел, имеющийся у вносящей проект научной группы, включает в себя созданные и функционирующие в лаборатории научной группы уникальные лазерные источники сверхкоротких импульсов среднего ИК-диапазона, а также разработанные группой квантовые и квазиклассические модели взаимодействия сверхкоротких импульсов с веществом. Результаты предварительных исследований в области предлагаемых исследований опубликованы в более чем 80 научных публикациях, включая многочисленные публикации в журналах Nature Communications, УФН, Optica, Physical Review Letters, Scientific Reports и других научных журналах.

Rapidly progressing laser technologies provide unique tools for the investigation of ultrafast processes in matter with an unprecedented time resolution. Recently developed sources of attosecond optical pulses suggest the ways to confront one of the fundamental problems of optical physics -- the problem of direct detection of attosecond electron dynamics and time-resolved studies of radiation--matter interactions on the attosecond time scale. We propose to develop a toolbox of new optical methods enabling (1) effective terahertz pulse generation through optical rectification of mid-infrared pulses, (2) coherent control and detection of attosecond electron dynamics by ultrabroadband time-resolved pump-probe spectroscopy in noble gases, (3) ultrahigh harmonics generation up to energy >1 kilo–electron volts by mid-infrared femtosecond laser in a gas media, (4) experimental demonstration of multioctave supercontinua spanning from the ultraviolet to the far-infrared generated by shock-wave-coupled soliton self-compression of ultrashort mid-infrared pulses in a gas-filled antiresonance-guiding hollow-core photonic-crystal fiber. The experimental part of the research program will employ a source of high-peak-power ultrashort pulses in the mid-infrared based on optical parametric amplification, developed by our research group. The scientific and technical background of the research group includes the unique laser sources of ultrashort mid-IR pulses created and functioning in the laboratory of the scientific group, as well as quantum and quasiclassical models of the interaction of ultrashort pulses with matter developed by the group. The results of preliminary research in the field of proposed studies are published in more than 80 scientific publications, including publications in Nature Communications, Optica, Physical Review Letters, Scientific Reports and other scientific journals.

1. Будут исследованы и проанализированы физические механизмы, приводящие к увеличению эффективности генерации терагерцового излучения фазовой расстройки. Будет исследовано управление и когерентный контроль терагерцового излучения c помощью изменения фазы φ между импульсами накачки и второй гармоники. Будет проанализировано влияние эффектов распространения, фазовой расстройки на эффективность генерации терагерцового излучения. Эффективная генерация терагерцового излучения необходима для множества приложений, таких как построение изображений, досмотр и контроль безопасности, контроль качества, характеризация свойств материалов, химические и биологические зонды, а также спектроскопия с временным разрешением. 2. Будут развиты новые методы когерентного контроля электронной динамики в нейтральных газовых атомах с помощью схемы накачка-зондирование интенсивными широкополосными и предельно короткими лазерными импульсами. Будут проанализированы физические сценарии, связывающие выходной спектр зондирующего импульса с динамикой населенности возбужденных подоболочек ксенона. Эти методы открывают путь к прямой экспериметальной визуализации и управления электронной динамикой в нейтральных атомах. 3. Будет экспериментально и теоретически исследована генерация мультиоктавного суперконтинуума в среднем инфракрасном диапазоне в полых антирезонансных фотонно-кристаллических волокнах. Будут выявлены физические сценарии солитонной самокомпрессии импульсов с энергией десятки микроджоулей до длительности менее одного оптического периода. Будут определены роли физических факторов, таких как эффектов самоукручения, ионизации, фазовой расстройки оптического параметрического усиления, в сценарии генерации сверхширокополосного спектра предельно коротких импульсов. Предлагаемые методы открывают путь к экспериментальной реализации генерации импульсов длительностью менее половины оптического периода в среднем инфракрасном диапазоне. 4. Будут развиты методики генерации гармоник сверхвысокого порядка с энергией выше 1 кэВ при столкновении ускоренных полем интенсивных сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона электронов с атомным остовом в газовых средах. Будут проанализированы физические механизмы процесса генерации сверхвысоких гармоник. Будет проведена оптимизация параметров и нахождение режимов, при которых происходит наиболее эффективное преобразование излучения накачки среднего ИК-диапазона в излучение мягкого рентгеновского диапазона. Полученные импульсы мягкого рентгеновского диапазона остро требуются для приложений аттосекундной спектрохронографии, а также могут служить затравкой для лазеров на свободных электронах.

В лаборатории вносящей проект группы в Российском квантовом центре и МГУ имени М.В.Ломоносова созданы и функционируют (1) уникальный лазерный источник мощных сверхкоротких лазерных импульсов среднего ИК-диапазона, позволяющий генерировать мощные фемтосекундные импульсы в различных диапазонах длин волн от 1 до 4 мкм и (2) источник перестраиваемых по длине волны в диапазоне 2.5-13 мкм сверхкоротких лазерных импульсов с энергией до 15 мкДж на основе процесса генерации разностной частоты между волнами накачки и холостой волны оптического параметрического усиления. Научной группой опубликовано более 100 работ по тематике проекта в отечественных и международных журналах Nature Communications, УФН, Physical Review Letters, Scientific Reports, Optics Letters, ЖЭТФ, Optics Express и др.

1. Исследованы и проанализированы физические механизмы, приводящие к увеличению эффективности генерации терагерцового излучения фазовой расстройки. Исследовано управление и когерентный контроль терагерцового излучения c помощью изменения фазы φ между импульсами накачки и второй гармоники. Проанализировано влияние эффектов распространения, фазовой расстройки на эффективность генерации терагерцового излучения. 2. Развиты новые методы когерентного контроля электронной динамики в нейтральных газовых атомах с помощью схемы накачка-зондирование интенсивными широкополосными и предельно короткими лазерными импульсами. Проанализированы физические сценарии, связывающие выходной спектр зондирующего импульса с динамикой населенности возбужденных подоболочек ксенона. Эти методы открывают путь к прямой экспериметальной визуализации и управления электронной динамикой в нейтральных атомах. 3. Экспериментально и теоретически исследована генерация мультиоктавного суперконтинуума в среднем инфракрасном диапазоне в полых антирезонансных фотонно-кристаллических волокнах. Выявлены физические сценарии солитонной самокомпрессии импульсов с энергией десятки микроджоулей до длительности менее одного оптического периода. Определены роли физических факторов, таких как эффектов самоукручения, ионизации, фазовой расстройки оптического параметрического усиления, в сценарии генерации сверхширокополосного спектра предельно коротких импульсов. Предлагаемые методы открывают путь к экспериментальной реализации генерации импульсов длительностью менее половины оптического периода в среднем инфракрасном диапазоне. 4. Развиты методики генерации гармоник сверхвысокого порядка с энергией выше 1 кэВ при столкновении ускоренных полем интенсивных сверхкоротких импульсов среднего инфракрасного диапазона электронов с атомным остовом в газовых средах. Проанализированы физические механизмы процесса генерации сверхвысоких гармоник. Проведена оптимизация параметров и нахождение режимов, при которых происходит наиболее эффективное преобразование излучения накачки среднего ИК-диапазона в излучение мягкого рентгеновского диапазона. Полученные импульсы мягкого рентгеновского диапазона остро требуются для приложений аттосекундной спектрохронографии, а также могут служить затравкой для лазеров на свободных электронах.