Динамическая спектроскопия пространственно-временных и частотно угловых характеристик фемтосекундных лазерных импульсов при самоканалировании в конденсированных средах

Проект состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании динамики спектра и пространственно-временных характеристик фемтосекундного лазерного излучения в процессе самоканалирования в конденсированных средах. Его задачей является изучение влияния длины волны, энергии, фазовой модуляции, линзовой и аксиконной фокусировки импульса на его компрессию, уширение частотного спектра и распад на субимпульсы в условиях филаментации при различной материальной дисперсии. Планируется исследование фемтосекундных импульсов, перестраиваемых по длине волны в диапазоне от 0,4 до 2,8 мкм. В проекте, помимо стандартных теневых методов с фемтосекундным временным разрешением, будет использоваться оригинальный метод динамической спектроскопии, в котором временная задержка в филаменте осуществляется перемещением клиновидного образца в направлении, перпендикулярном распространению излучения. Ожидается, что управление фазовой модуляцией и фокусировкой лазерных импульсов при различной дисперсии групповой скорости в среде позволит контролируемым образом менять длительность импульсов (вплоть до аттосекундного диапазона) и оптимизировать генерацию широкополосного суперконтинуума. Планирование лабораторных экспериментов, анализ и интерпретация их результатов будут выполнены на основе численного моделирования процесса филаментации в конденсированных средах фемтосекундного излучения в рассматриваемом диапазоне длин волн, что позволит установить общие закономерности динамики пространственно-временных и частотно-угловых характеристик лазерных импульсов.

Экспериментальные исследования будут выполнены на фемтосекундном лазерном комплексе ЦКП Института спектроскопии РАН, численные – на кластерах МГУ им. М.В Ломоносова в Международном учебно-научном лазерном центре.

Результаты 2012 года

1. Впервые экспериментально зарегистрированы "световые пули" в фемтосекундном филаменте, формирование которых было предсказано на основе результатов численного моделирования, выполненного в 2011 году на предыдущем этапе настоящего проекта. "Световые пули" являются локализованными в пространстве и времени областями с высокой плотностью энергии (5•1013 Вт/см2) и образуются при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в условиях аномальной дисперсии групповой скорости (ДГС). При диаметре селектирующей диафрагмы 50 мкм минимальная ширина измеренной автокорреляционной функции световой пули в импульсе на длине волны 1800 нм равна 27 фс. Минимальная ширина автокорреляционной функции, рассчитанной для условий эксперимента, составляет – 23 фс. Показано, что временная форма световой пули качественно отличается от зависимостей, которые обычно используются для аппроксимации формы лазерного импульса. На основе анализа формы световой пули, образующейся в филаменте, установлено, что отношение ее длительности к ширине автокорреляционной функции лежит в интервале 0,44ч0,5. В соответствии с этим определено, что при минимальной ширине измеренной автокорреляционной функции длительность световой пули составляет 11,6 фс при диаметре селектирующей диафрагмы 50 мкм. Таким образом, минимальная длительность сформированной световой пули меньше двух периодов осцилляций светового поля на длине волны 1800 нм. Длительность световой пули возрастает с увеличением диаметра диафрагмы, выделяющей ее из сечения пучка в филаменте. Обнаружено, что с увеличением энергии импульса сокращается расстояние до образования пули. [1,2,3 в библиографическом списке публикаций, приведенном в п.3.16].

2. На основе проведенных корреляционных измерений и численного моделирования динамического самоканалирования фемтосекундного излучения предложен и обоснован сценарий пространственно-временной эволюции волнового пакета. Формирование "световых пуль" является результатом самофокусировки излучения во временных слоях в окрестности центра импульса, в которые перетекает мощность с хвостов импульса при его сжатии из-за аномальной дисперсии в условиях фазовой самомодуляции. При распространении импульса световая пуля, образовавшаяся в центральных слоях импульса, смещается к хвосту импульса. Вследствие перетекания мощности с хвостов импульса к его центру, вызванного аномальной ДГС, создаются условия для повторного образования световой пули, что в итоге приводит к формированию их последовательности вдоль филамента. [1,2,7,10].

3. Установлена связь процесса образования и распространения световых пуль с формированием и трансформацией спектра широкополосного суперконтинуума в филаменте. Получены спектральные карты суперконтинуума и пространственно-временные распределения интенсивности для фемтосекундного излучения с центральной длиной волны, перестраиваемой в диапазоне от 400 нм до 2300 нм. Установлено, что при образовании световой пули спектр излучения монотонно уширен в стоксову и антистоксову области, при ее смещении к хвосту импульса спектр становится существенно немонотонным. Источники антистоксовых компонент суперконтинуума находятся на заднем фронте импульса, крутизна которого увеличивается при большей центральной длине волны падающего излучения. [1,2,3,8]

4. Экспериментально, численно и аналитически исследовано формирование антистоксова крыла суперконтинуума - изолированного максимума в видимой области спектра - при филаментации в плавленом кварце фемтосекундного излучения ближнего ИК - диапазона. Установлено, что при увеличении длины волны излучения от 1300 нм до 2300 нм ширина полосы антистоксова крыла сужается, сдвигаясь в голубую область. Этот вывод получен в результате изучения особенностей формирования спектра суперконтинуума при филаментации в плавленом кварце излучения, перестраиваемого в широкой полосе длин волн, охватывающей области нормальной, нулевой и аномальной ДГС. Установлено, что независимо от характера ДГС величина антистоксова сдвига излучения суперконтинуума возрастает с увеличением порядка многофотонности процесса генерации лазерной плазмы в филаменте. При высоком порядке многофотонности возрастает крутизна заднего фронта импульса, что вызывает высокочастотное обогащение его спектра при фазовой самомодуляции светового поля. Высокий порядок многофотонности генерации плазмы и связанный с ним большой антистоксов сдвиг спектра суперконтинуума, происходит в плавленом кварце при филаментации излучения на длинах волн, которые лежат в области аномальной и нулевой ДГС. Поэтому при аномальной ДГС наблюдается значительный антистоксов сдвиг в спектре суперконтинуума. Показано, что образование при филаментации фемтосекундного излучения на длине волны 1300 - 2100 нм широкого минимума в спектре суперконтинуума, отделяющего изолированное антистоксово крыло от центральной длины волны, является результатом деструктивной интерференции широкополосного излучения, которое генерируется источником, движущимся с групповой скоростью импульса. Интерференционные факторы спектров суперконтинуума, полученные для такого источника, перемещающегося в излучающей области филамента в среде с дисперсией, согласуются с экспериментальными и численными результатами [2,3,4,7].

Публикации

1.Smetanina E. O., Dormidonov A. E., and Kandidov V. P., Spatio-Temporal Evolution Scenarios of Femtosecond Laser Pulse Filamentation in Fused Silica, Laser Physics, 2012, Vol. 22, No. 7, pp. 1189-1198;

2.Сметанина Е.О., Компанец В.О., Чекалин С.В., Кандидов В.П., Особенности филаментации фемтосекундного лазерного излучения в условиях аномальной дисперсии в плавленом кварце. Ч.1. Численное исследование, Квантовая Электроника, 2012, Том 42, ? 10, с. 913-919;

3.Сметанина Е.О., Компанец В.О., Чекалин С.В., Кандидов В.П., Особенности филаментации фемтосекундного лазерного излучения в условиях аномальной дисперсии в плавленом кварце. Ч.2. Эксперимент и физическая интерпретация, Квантовая Электроника, 2012, Том 42, ? 10, с. 920-924;

4.Smetanina E., Kompanets V., Chekalin S., Dormidonov A., Kandidov V., Anti-Stokes Wing of Femtosecond Laser Filament Supercontinuum in Fused Silica, Optics Letters, 2013, v.38, No.1, 16-18;

5.Кандидов В.П., Сметанина Е.О., Дормидонов А.Е., Компанец В.О., Чекалин С.В. Формирование конической эмиссии суперконтинуума при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в плавленом кварце. ЖЭТФ, Том 140, Вып. 3, стр. 484-496, (2011);

6.Smetanina E. O., Dormidonov A. E., Kandidov V. P. Supercontinuum generation in filamentation of femtosecond laser pulse in fused silica. Proc. SPIE 8159, 81590L-1 - 81590L-8 (2011); doi:10.1117/12.893108;

7.Smetanina E.O., Kompanets V.O., Chekalin S.V., Dormidonov A.E., Kandidov V.P., “Light bullet and spectrum anti-Stokes wing from fs-filament in fused silica anomalous GVD regime” 4th International Symposium on Filamentation COFIL 2012, October 7 - 12, 2012, Tucson, Arizona, USA Book of Abstracts, p. 129-130;

8.Smetanina E.O., Kandidov V.P., Dormidonov A.E., Kompanets V.O., Chekalin S.V. 'Spectral intensity map of supercontinuum in femtosecond near IR pulse filamentation in fused silica', 3rd International Workshop on Laser-Matter Interaction 2012, June 25-29, 2012, Porquerolles, France, Book of abstracts, p. 71;

9.Kompanets V.O., Smetanina E.O., Kandidov V.P., Chekalin S.V. 'Frequency-angular spectrum under filamentation of chirped femtosecond pulses in fused silica ', |3rd International Workshop on Laser-Matter Interaction 2012, June 25-29, 2012, Porquerolles, France, Book of abstracts, p. 38;

10.Кандидов В.П., Сметанина Е.О., Компанец В.О., Чекалин С.В.. Филаментация фемтосекундного лазерного илучения в условиях аномальной дисперсии. (Пленарный доклад), XVIII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", Институт Солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск, 2-6 июля 2012г Программа и тезисы докладов, с. 10;

11. Smetanina E.O., Kandidov V.P., Dormidonov A.E., Kompanets V.O., Chekalin S.V. 'SC generation in femtosecond laser pulse filamentation under anomalous GVD', Fifth International Conference "Singular Optics SO 2012" Sebastopol, Crimea, Ukraine, Book of abstracts, p. 70.

12.Smetanina E.O., Dormidonov A.E., Kandidov V.P., Kompanets V.O. , Chekalin S.V. Supercontinuum under the filamentation of the femtosecond laser pulse in the fused silica . SPIE Optics&Photonics 2011, Optical Engineering and Applications, Technical Summaries, Conference 8159: Lidar Remote Sensing for Environmental Monitoring XII (USA, Califor-nia, San Diego, August 21-25, 2011), p. 335;

13.Smetanina E.O., Dormidonov A.E., Kandidov V.P. Splitting and compression of femtosecond laser pulse in filament in fused silica. 20th International Laser Physics Workshop 2011( Bosnia and Herzego-vina, Sarajevo, July 11-15, 2011), Book of abstracts, seminar 5 "Nonlinear Optics and Spectroscopy", p. 47;

14.Сметанина Е.О., Дормидонов А.Е., Компанец В.О. Частотный спектр суперконтинуума при филаментации в плавленом кварце фемтосекундного лазерного импульса в условиях аномальной дисперсии. Труды Седьмой международной конференции молодых ученых и специалистов 'Оптика-2011' (Россия, Санкт-Петербург, 17-21октября, 2011), стр. 5;

15.Smetanina Е. Spatiotemporal and Spectral Transformation of Femtosecond Laser Pulse During Fila-mentation in Fused Silica. Internationa Conference "Nonlinear Optics East-West Reunion" (NLO-50) 2011 (Russia, Suzdal, September 21-23, 2011),Poster Section http://www.nlo50.iapras.ru/poster.html , 44;

16.Сметанина Е.О. Пространственно-временная эволюция фемтосекундного лазерного импульса при филаментации в плавленом кварце. Труды V Всероссийской школы для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по лазерной физике и лазерным технологиям 2011 (Россия, Саров, 26-29 апреля, 2011), стр.319-327;