ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Проект направлен на решение фундаментальной задачи лазерной физики - взаимодействие лазерного излучения фемтосекундной длительности с веществом в различных фазовых состояниях с целью генерации электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне. Более конкретно задача исследования связана с исследованием процесса взаимодействия фемтосекундного изучения с жидкостями с целью разработки новых эффективных источников широкополосного импульсного терагерцового излучения. При выполнении проекта планируется экспериментально исследовать процесс взаимодействия лазерных импульсов фемтосекундной длительности, а также терагерцового излучения различной мощности с жидкостями, создать физическую модель генерации низкочастотного излучения в таких средах, учитывающую вклады как линейных, так и на нелинейных механизмов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Так в ходе выполнения проекта предполагается исследовать механизмы генерации и усиления низкочастоного излучения, связанные с процессами вынужденного и когерентного комбинационного рассеяния. Особое внимание будет уделено изучению возможности «масштабирования» усиления и увеличения эффективности преобразования оптического излучения сверхкороткой длительности в терагегерцовое как за счет «масштабирования» энергетических характеристик оптических импульсов накачки, так и за счет пространственного «масштабирования» области взаимодействия излучения с веществом и использования явления филаментации. Актуальность постановки предлагаемой работы заключается в высокой востребованности импульсного терагерцового излучения большой интенсивности в экспериментальных лабораториях, работающих в области нелинейной терагерцовой фотоники, занимающихся исследованием экстремальных свойств вещества и развивающих новые принципы построения настольных ускорителей. Однако, используемые в настоящее время методы преобразования оптического излучения в терагерцовое не позволяют получить терагерцовые поля с напряженностями выше нескольких десятков МВ/см, в то время как для развития фотоники сверхсильных терагерцовых полей необходимы поля по крайней мере на два порядка выше. В настоящей работе мы предлагаем новую концепцию создания эффективных источников широкополосных терагерцовых импульсов высокой напряженности поля на основе жидкофазных сред. Конечным ориентиром проекта мы рассматриваем достижение напряженности поля терагерцового импульса величины 100 МВ/см и более. Успешное решения фундаментальной задачи проекта даст эффективный инструмент для решения ряда комплексных междисциплинарных задач, включая социально значимые прикладные задачи.
Основным научным результатом выполнения проекта будет разработка фундаментальных основ оригинальной концепции создания эффективных источников импульсного широкополосного терагерцового излучения высокой напряженности поля на основе жидкостей. Будет разработана и создана физическая модель генерации терагерцового излучения в неполярной жидкости при возбуждении мощными лазерными импульсами сверхкороткой длительности, учитывающая вклады в процесс генерации низкочастотного излучения ионизации среды и механизмов нелинейного взамодействия излучения со средой. Научная новизна поставленной задачи заключается в том, что до настоящего момента аналогичные исследования в мировой практике не проводились. Высокая востребованность эффективных источников импульсного терагерцового излучения высокой напряженности поля в экспериментальных лабораториях, работающих в различных областях терагерцовой фотоники, в особенности в области нелинейной фотоники, определяет фундаментальную значимость поставленной задачи. Успешное решение поставленной задачи поможет осуществить качественный скачек в решении как фундаментальных, так и ряда прикладных комплексных междисциплинарных задач, связанных с исследованием экстремальных свойств вещества, проблемами биологической, экологической и террористической безопасности. В ходе решения основной задачи проекта будет решен ряд частных задач, объединенных общей целью, ожидаемые результаты которых можно сформулировать следующим образом: 1. На примере сжиженного газа азота, будут выполнены экспериментальные и теоретические исследования физических механизмов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с неполярной жидкостью,с целью достижения высокой эффективности оптико-терагерцового преобразования. На основе полученных результатов будет создана физическая модель процесса генерации низкочастотного излучения в жидкости при возбуждении лазерными импульсами сверхкороткой длительности. 2. Будут исследованы физические механизмы взаимодействия терагерцового излучения различной мощности с неполярными жидкостями на примере модельной жидкости - жидкого азота. Основной упор будет сделан на выявление особенностей взаимодействия за счет вкладов нелинейной природы. Учет этих вкладов поможет дополнить и развить теоретическую модель процесса генерации терагерцового излучения в жидкости при возбуждении сверхкороткими лазерными импульсами. 3. На базе результатов, полученных в ходе выполнения проекта, будет разаботана и создана физическая модель генерации терагерцового излучения в неполярной жидкости при возбуждении мощными лазерными импульсами сверхкороткой длительности, учитывающая вклады в процесс генерации низкочастотного излучения ионизации среды и механизмов нелинейного взамодействия излучения со средой. 4. Для выполнения экспериментальных исследований будет разработана и создана специальная техника, включающая в себя экспериментальные кюветы различных модификаций, приспособления ввода/вывода оптического и терагерцового излучений, выполнен ряд сопутствующих инженерных и технических работ, направленных на поиск конструктивных решений и создание материальной базы для изготовления первого образца оптико-терагерцового преобразователя. 5. Будет разработана оригинальная концепция построения эффективных источников импульсного широкополосного терагерцового излучения высокой напряженности поля нового типа на основе жидкостей. 6. По результатам выполненных исследований будут подготовлены и представлены доклады на профильных научных конференциях и опубликованы статьи в ведущих научных журналах.
Коллектив обладает большим опытом выполнения экспериментальных и теоретических исследований в фундаментальных и прикладных областях лазерной физики, нелинейной оптики и фотоники, физики плазмы, терагерцовой спектроскопии и разработки источников и детекторов терагерцового диапазона. В частности, у коллектива имеется научный задел по таким направлениям как: - генерация импульсного ТГц излучения с помощью фемто- и пикосекундных лазерных систем; - разработка и создание экспериментальных установок для генерации и детектирования импульсного терагерцового излучения с использованием полупроводников, электрооптических кристаллов, плазмы оптического пробоя газообразных и кластерных сред; - разработка и создание экспериментальных установок для диагностики и спектроскопии вещества в видимом и терагерцовом диапазонах частот; - разработка подходов и развитие теоретических методов для описания механизмов, лежащих в основе процессов, протекающих при взаимодействии фемто- и пикосекундных лазерных импульсов большой мощности с веществом, находящемся в различных агрегатных состояниях; - расчет многофотонной, туннельной и надбарьерной ионизации атомов; - расчет и измерение угловых, спектральных и энергетических характеристик терагерцового излучения из лазерного фокуса в газе и в газо-кластерной струе; - применения терагерцового излучения при исследовании поверхностных волн. Кроме этого у членов творческого коллектива проекта есть большой опыт в области четырехволнового взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, когерентной лазерной спектроскопии сверхвысокого разрешения жидкостей, газов и твердых тел, использования лазерных систем для дистанционного зондирования и диагностики объектов окружающей среды, жидкостей и газов.
Основным научным результатом выполнения проекта будет разработка фундаментальных основ оригинальной концепции создания эффективных источников импульсного широкополосного терагерцового излучения высокой напряженности поля на основе жидкостей. Будет разработана и создана физическая модель генерации терагерцового излучения в неполярной жидкости при возбуждении мощными лазерными импульсами сверхкороткой длительности, учитывающая вклады в процесс генерации низкочастотного излучения ионизации среды и механизмов нелинейного взамодействия излучения со средой. Научная новизна поставленной задачи заключается в том, что до настоящего момента аналогичные исследования в мировой практике не проводились. Высокая востребованность эффективных источников импульсного терагерцового излучения высокой напряженности поля в экспериментальных лабораториях, работающих в различных областях терагерцовой фотоники, в особенности в области нелинейной фотоники, определяет фундаментальную значимость поставленной задачи. Успешное решение поставленной задачи поможет осуществить качественный скачек в решении как фундаментальных, так и ряда прикладных комплексных междисциплинарных задач, связанных с исследованием экстремальных свойств вещества, проблемами биологической, экологической и террористической безопасности. В ходе решения основной задачи проекта будет решен ряд частных задач, объединенных общей целью, ожидаемые результаты которых можно сформулировать следующим образом: 1. На примере сжиженного газа азота, будут выполнены экспериментальные и теоретические исследования физических механизмов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с неполярной жидкостью,с целью достижения высокой эффективности оптико-терагерцового преобразования. На основе полученных результатов будет создана физическая модель процесса генерации низкочастотного излучения в жидкости при возбуждении лазерными импульсами сверхкороткой длительности. 2. Будут исследованы физические механизмы взаимодействия терагерцового излучения различной мощности с неполярными жидкостями на примере модельной жидкости - жидкого азота. Основной упор будет сделан на выявление особенностей взаимодействия за счет вкладов нелинейной природы. Учет этих вкладов поможет дополнить и развить теоретическую модель процесса генерации терагерцового излучения в жидкости при возбуждении сверхкороткими лазерными импульсами. 3. На базе результатов, полученных в ходе выполнения проекта, будет разаботана и создана физическая модель генерации терагерцового излучения в неполярной жидкости при возбуждении мощными лазерными импульсами сверхкороткой длительности, учитывающая вклады в процесс генерации низкочастотного излучения ионизации среды и механизмов нелинейного взамодействия излучения со средой. 4. Для выполнения экспериментальных исследований будет разработана и создана специальная техника, включающая в себя экспериментальные кюветы различных модификаций, приспособления ввода/вывода оптического и терагерцового излучений, выполнен ряд сопутствующих инженерных и технических работ, направленных на поиск конструктивных решений и создание материальной базы для изготовления первого образца оптико-терагерцового преобразователя. 5. Будет разработана оригинальная концепция построения эффективных источников импульсного широкополосного терагерцового излучения высокой напряженности поля нового типа на основе жидкостей. 6. По результатам выполненных исследований будут подготовлены и представлены доклады на профильных научных конференциях и опубликованы статьи в ведущих научных журналах.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 7 мая 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Исследование нелинейных свойств жидкостей в терагерцовом диапазоне частот с целью разработки новых эффективных источников широкополосного импульсного терагерцового излучения |
Результаты этапа: Впервые показана возможность экспериментальной реализации преобразования оптического излучения фемтосекундной длительности в терагерцовое излучение в криогенной жидкой среде. Генерация ТГц излучения в газе и в плазме оптического пробоя в газе хорошо исследованные явления, в то время как использование в качестве среды-преобразования криогенной жидкости проведена впервые. В качестве жидкости предложено использовать жидкий азот. Международным коллективом исполнителей проекта создана уникальная криогенная экспериментальная кювета с открытой поверхностью раздела газ - жидкий азот для проведения экспериментов и с помощью этой кюветы исследована зависимость эффективности генерации ТГц излучения вблизи свободной поверхности жидкости от условий фокусировки лазерного излучения. Измерены зависимости эффективности преобразования оптического излучения в ТГц при переходе перетяжки лазерного пучка через границу раздела, отделяющую газообразную фазу среды от ее жидкой фазы. Экспериментально показано, что вблизи границы жидкости наблюдается увеличения эффективности генерации ТГц сигнала. В ходе выполнения работы проведены основные исследования явления, а именно, измерены зависимости величины выхода ТГц излучения, генерируемого в газообразном и в сжиженном азоте, от длительности возбуждающих лазерных импульсов при фиксированной энергии лазерных импульсов и другие. Показано, что функция эффективности генерации ТГц излучения от длительности возбуждающих лазерных импульсов, существенно уширяется при переходе от газообразной к жидкой фазе, в особенности при высоких интенсивностях фемтосекундных лазерных импульсов накачки. Впервые наблюдался эффект нелинейного вращения плоскости поляризации эллиптически поляризационного ТГц излучения в жидком азоте за счет взаимодействия трех эллиптически поляризованных электромагнитных волн, одна из которых на ТГц частоте. По результатам экспериментальных исследований предложена феноменологическая модель для описания когерентного поляризационно-чувствительного нелинейного взаимодействия трех эллиптически поляризованных электромагнитных волн, одна из которых на ТГц частоте, при их совместном распространении в нелинейной изотропной среде. Показано, что наблюдаемый эффект может быть хорошо описан в рамках предложенного феноменологического подхода и разработанной модели. В дальнейшем подобный тип многоволнового взаимодействия позволит осуществлять эффективное поляризационное управление состоянием поляризации ТГц излучения с помощью управления состоянием поляризации фемтосекундных световых импульсов. В течение первого года выполнения работы предположены основные физические механизмы, которые необходимо учесть при разработке теоретической модели исследуемого явления - преобразования оптического лазерного импульса сверхкороткой длительности в ТГц излучение в жидкой среде. Исследована роль двухчастотной асимметричной ионизации среды и переходного фототока в процессе генерации ТГц излучения при возбуждении фемтосекундными лазерными импульсами. В ходе выполнения работы предложено использовать в качестве жидкой среды для ТГц преобразования оптического излучения суспензию диэлектрических наночастиц. Теоретически исследованы основные закономерности генерации низкочастотного и ТГц излучения на собственных колебаниях взвешенных частиц в поле двух сонаправленных электромагнитных волн, сдвинутых по частоте на некоторую величину Δω (стоксов сдвиг), распространяющихся в жидкой суспензии с твердыми включениями при достаточном отличии коэффициента преломления твердой фракции от коэффициента преломления жидкой фазы суспензии. Показано, что под действием поверхностных пондеромоторных сил на наночастицах суспензии формируются дипольные моменты антистоксовой частоты, отвечающие акустическим колебаниям твердых частиц. Для определенных конфигураций накачки и геометрии рассеивающих центров получены выражения для электромагнитного поля в дальней волновой зоне для четырехволнового рассеяния в зависимости от диэлектрических характеристик раствора и акустических параметров жидкой и твердой фракций суспензии. Программа исследований, запланированных на первый года Проекта, выполнена полностью. Полученные оригинальные результаты были доложены на конференциях, опубликованы в журналах и сборниках. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Исследование нелинейных свойств жидкостей в терагерцовом диапазоне частот с целью разработки новых эффективных источников широкополосного импульсного терагерцового излучения |
Результаты этапа: | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Исследование нелинейных свойств жидкостей в терагерцовом диапазоне частот с целью разработки новых эффективных источников широкополосного импульсного терагерцового излучения |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".