Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках международного сотрудничества российских и китайских исполнителей проекта созданы и введены в эксплуатацию экспериментальные установки для генерации широкополосного терагерцового излучения при филаментации и его регистрации. В российских установках терагерцовую эмиссию фемтосекундного филамента обеспечивало внешнее электростатическое поле, в китайской — смешение основной и второй гармоник лазерного излучения. В экспериментах российской и китайской групп применялись различные, но взаимодополняющие системы регистрации частотно-угловых распределений ТГц излучения филамента: болометр или ячейка Голея с системой полосовых фильтров на поворотном рельсе, терагерцовый интеферометр Майкельсона на поворотном рельсе, электрооптическая система. Это позволит в дальнейших исследованиях получать уникальную информацию о спектрально-угловых характеристиках терагерцового излучения филамента, которая критически важна для реализации схем визуализации с высоким пространственно-временным разрешением в терагерцовом диапазоне от такого источника. Впервые проведено самосогласованное численное моделирование генерации терагерцового излучения во внешнем электростатическом поле. Численная схема с перекрывающимися расчетными областями для оптического и терагерцового полей (Crossed Domains for Optical and Terahertz fields — XDOT) адаптирована для моделирования генерации терагерцового излучения филаментом в постоянном внешнем поле. Такая методика моделирования позволила в осесимметричном приближении добиться рекордного разрешения по частоте — около 10 ГГц. В отличном согласии между моделированием и экспериментом диаграммы направленности электромагнитного излучения с частотой в диапазоне 0.3–1 ТГц являются унимодальными с плоской приосевой частью. С ростом частоты до ~10 ТГц диаграммы направленности становятся коническими вследствие деструктивной интерференции терагерцовых волн, излучаемых фронтом ионизации, распространяющемся со сверхсветовой скоростью. В целях фундаментального исследования различных механизмов терагерцовой генерации во внешнем электростатическом поле на различных частотах в диапазоне 0.1–1 ТГц измерены угловые распределения интенсивности терагерцового излучения одноцветного филамента во внешнем поле с напряженностью, варьируемой от нуля до 3.3 кВ/см. С использованием интерференционного интеграла угловые распределения представлены в виде суммы квадрупольного (соответствующего одноцветному филаменту без внешнего поля) и дипольного (одноцветный филамент в сильном электростатическом поле с напряженностью около 10 кВ/см) вкладов. Установлено, что квадрупольный и дипольный вклады выравниваются при внешнем поле (3.2 ± 0.8) кВ/см. Группой университета Нанкай создана и введена в эксплуатацию экспериментальная система для измерения плотности плазмы филамента. Реализация в системе методики теневой фотографии с использованием фемтосекундной подсветки плазменного канала обеспечивает субпикосекундное временное разрешение, необходимое для оптимизации параметров плазменного источника терагерцового излучения. В экспериментах на созданной в университете Нанкай системе установлено, что при наилучшем перекрытии между гармониками, формирующими двуцветный филамент, плотность самонаведенной лазерной плазмы минимальна. Это открывает новое направление исследований по увеличению эффективности терагерцовой генерации при оптимизации параметров лазерной плазмы.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. В целях решения основной задачи проекта о генерации направленного терагерцового (ТГц) излучения проведено комплексное экспериментально-теоретическое исследование диаграмм направленности ТГц излучения фемтосекундного филамента во внешнем электростатическом поле. С использованием высокочувствительного в диапазоне 0.5—10 ТГц MoRe болометра зарегистрированы двумерные угловые распределения ТГц излучения на различных частотах. Получены следующие результаты: - Предсказанная нами на первом году исполнения проекта коническая диаграмма направленности высокочастотных (~10 ТГц) компонент ТГц излучения одиночного филамента, помещенного в электростатическое поле, наблюдалась экспериментально при фокусировке фемтосекундного излучения с центральной длиной волны 740 нм, длительностью 90 фс и энергией 1.8 мДж в воздушный зазор между плоскими электродами (поле 15 кВ/см). Разработанная модель явления основана на распространении фронта ионизации — источника ТГц излучения — со сверхсветовой скоростью. Установлено, что наглядное представление в виде спирали Френеля позволяет описывать трансформацию ТГц диаграммы направленности от унимодальной с плоской вершиной при частоте ~1 ТГц к кольцевой при ~10 ТГц. - Регуляризация пучка помещенных во внешнее электростатическое поле филаментов (сформированы в эксперименте при 50-см фокусировке излучения с центральной длиной волны 740 нм, энергией 4.6 мДж и длительностью 90 фс) с помощью пластинки с крестообразным разрывом фазы на π обеспечивает двукратное по сравнению со случаем стохастической филаментации сужение диаграммы направленности излучения на частоте 1 ТГц. Фазовая пластинка не оказывает влияния на угловое распределение компонент излучения на частоте 10 ТГц. 2. Проведено экспериментальное исследование ТГц генерации при филаментации на протяженной трассе субтераваттного импульса (длина волны 805 нм, энергия до 20 мДж, длительность 55 фс) во внешнем электростатическом поле. Экспериментально зарегистрирована ТГц генерация при фемтосекундной филаментации в заряженном плоском конденсаторе, расположенном на расстоянии около 10 м от выхода лазерной системы. Установлено, что при фиксированной энергии фемтосекундной накачки зависимость энергии ТГц излучения от фокусного расстояния (измерения проведены для фокусов от 0.5 до 10 м) имеет максимум, который в наших экспериментах соответствует фокусировке линзой с фокусным расстоянием 6 м. 3. В режиме двуцветной фемтосекундной филаментации на настольной трассе проведена оптимизация энергетики ТГц излучения при вариации длительности импульса, угла поворота кристалла α-BBO (для максимизации пространственно-временного перекрытия оптических гармоник двуцветного излучения) и рода газа. При двуцветной филаментации в аргоне удалось добиться рекордной эффективности конверсии энергии оптического импульса накачки на длине волны 800 нм в терагерцовый диапазон — 0.35%. В воздухе и азоте эффективность конверсии составляет 0.11% и 0.13%.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В целях решения основной задачи проекта о генерации направленного терагерцового (ТГц) излучения проведено комплексное экспериментально-теоретическое исследование влияния фазовых масок с четным числом секций на угловое распределение ТГц излучения одноцветного и двуцветного фемтосекундного филамента при энергии входного импульса 2–6 мДж на длине волны 740 и 800 нм. С использованием высокочувствительного в диапазоне 0.5–10 ТГц болометра и ячейки Голея зарегистрированы двумерные угловые распределения ТГц излучения на частоте около 1 ТГц и интегральные по частоте профили угловых диаграмм, соответственно. Получены следующие результаты: -Диаграмма направленности терагерцового излучения плазменных каналов одноцветных филаментов, образованных четырехсекционной фазовой маской, сужается примерно в 1.5 раза по сравнению с отсутствием маски и такой же энергией фемтосекундного излучения в каждой секции. В режиме двуцветной филаментации наблюдалось наилучшее сужение диаграммы направленности от 34 до 10 градусов при использовании восьмисекционной фазовой маски. [Письма в ЖЭТФ 118(7), 502 (2023)] https://link.springer.com/article/10.1134/S0021364023602786 В целях поиска оптимальных режимов генерации направленного терагерцового излучения при амплитудной и фазовой модуляции лазерного пучка мы собрали базу данных пространственных распределений ТГц излучения в дальней зоне. База данных собрана на основе развитой в ФИАНе экспериментальной установки для регистрации двумерных диаграмм направленности ТГц излучения филамента на различных частотах, созданной в МГУ более чем 10-метровой трассы для измерения выхода ТГц излучения при множественной филаментации и созданной в университете Нанкай схеме высокоэффективной генерации ТГц излучения двуцветным филаментом. В результате совместной работы ученых МГУ, ФИАНа и университета Нанкай, оказывается возможным по требуемой энергии и частоте терагерцового излучения выбрать схему генерации (одноцветный филамент, одноцветный филамент в электростатическом поле или двуцветный филамент) и параметры лазерного излучения. Оптимальными режимами генерации терагерцового излучения из плазменного канала фемтосекундного филамента представляются: - Плазменный канал фемтосекундного импульса, помещенный в плоский конденсатор, и обеспечивающий унимодальное с максимумом на оси распределение пучка электромагнитного излучения в диапазоне до 3 ТГц. Схема масштабируется на случай стохастической филаментации субтераваттного импульса и длинных электродов, позволяющих получить более чем десятикратное по сравнению со случаем одного филамента увеличение выхода энергии ТГц на 10-метровой трассе в воздухе. [Optics Letters 46, 5497 (2021); Optics and Laser Technology 159, 108949 (2023)] https://doi.org/10.1364/OL.439901, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108949 -Двуцветная схема (800 + 400 нм) для получения широкополосного излучения 0.1-20 ТГц с высокой эффективностью преобразования 0.35% в аргоне или 0.11% в воздухе при точной настройке положения кристалла BBO, удваивающего частоту оптической накачки. При этом на частотах порядка 0.1-1 ТГц энергия в конусе слабо зависит от положения кристалла, если длина филамента превосходит длину дефазировки между основной и второй гармониками. [Opto-Electronic Advances 5, 210065 (2022)] https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.210065 Для исследования доставки терагерцового излучения в группе ФИАНа были выполнены эксперименты по каналированию ТГц излучения с помощью металлических и диэлектрических трубок-волноводов. Показано уменьшение энергии терагерцового излучения в сечении пучка за счет скользящего отражения в металлическом волноводе, которое эффективно соответствует увеличению длительности ТГц импульса. Полипропиленовая трубка позволяет получить узконаправленный источник терагерцового излучения из исходного широкого углового распределения. [Photonics 10, 443 (2023); Краткие сообщения по физике ФИАН 50,47-56 (2023)] https://doi.org/10.3390/photonics10040443, https://ksf.lebedev.ru/contents.php?post=1&year=2023&number=6&pages=&z=0&i=6#suda В университете Нанкай эксперименты по сканирующей ближнепольной микроскопии рассеяния на основе двуцветного источника широкополосного терагерцового излучения позволили получить ближнепольный ТГц сигнал от золотого напыления на подложке из двуокиси кремния с разрешением на границе золото – двуокись кремния около 5 мкм. Сигнал рассеяния ТГц излучения извлекался путем демодуляции высокого порядка на частоте вибрации зонда благодаря разработанной схеме синхронизации вибрации зонда и падающих терагерцовых импульсов. [Acta Optica Sinica, 2023, 43(6): 0600001 (in Chinese, back cover)] https://www.researching.cn/articles/OJ3e4e801d81c74a8d