КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-19-00148

НазваниеФормирование сверхинтенсивных электромагнитных импульсов в несколько периодов поля в среднем ИК и ТГц диапазонах с использованием тераваттного фемтосекундного излучения ближнего ИК диапазона и их применения

РуководительСавельев-Трофимов Андрей Борисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые словаПараметрический усилитель, ИК излучение, тераваттная мощность, электромагнитные импульсы в несколько осцилляций поля, экстремальная фотоника, терагерцевое излучение

Код ГРНТИ29.33.29

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные междисциплинарные исследования и технологические разработки требуют наличия источников длинноволнового излучения среднего инфракрасного и терагерцевого диапазона для оптической диагностики и управления свойствами полупроводниковых материалов. Так, получение сверхкоротких (на уровне 100 фс – 1 пс) импульсов излучения среднего ИК и терагерцевого диапазонов, попадающих в область прозрачности большинства полупроводниковых сред, является необходимым условием для проведения лазерной микромодификации объёма полупроводников, время-разрешенной спектроскопии и управления электронной динамикой полупроводниковых сред. Изменение свойств материалов в условиях мультиспектрального воздействия позволяет осуществлять управление нелинейно-оптическим откликом среды. Планируемое в рамках данного проекта осуществление такого воздействия с использованием излучения существенно отличающихся по длине волны спектральных диапазонов – ИК и терагерцевого диапазонов – открывает возможности для уникальных режимов нелинейно-оптического воздействия на вещество и, тем самым, обуславливает новизну данного проекта. В данном проекте для генерации перестраиваемого по длине волны излучения ближнего и среднего ИК диапазонов планируется использовать концепцию двойного параметрического усиления чирпированных импульсов. Данная концепция позволит впервые генерировать мощное перестраиваемое фемтосекундное лазерное излучение среднего ИК диапазона, а использование новых тройных и четверных полупроводниковых кристаллов (BGS, BGSe, BGSSe, LGS) повысит эффективность преобразования как от тераваттного лазерного источника на длине волны 0,8 мкм, так и источника на длине волны 1,24 мкм. Генерация терагерцевого излучения будет осуществлена на основе процесса оптического выпрямления в органических кристаллах, что в условиях повышения многофотонности процесса поглощения при увеличении длины волны лазера накачки открывает путь к высокоэффективному преобразованию излучения со спектром вплоть до 5-6 ТГц. Помимо этого, накачка кристалла излучением, спектр которого расположен вблизи молекулярного резонанса, также может обеспечить повышение эффективности оптико-терагерцевого преобразования за счёт увеличения нелинейного отклика среды. Также использование в данном проекте двухцветной филаментации и оптического пробоя в газе, помимо преимуществ, связанных с отсутствием деградации нелинейной среды, позволит расширить диапазон генерируемого ТГц излучения дальше 5 ТГц, вплоть до дальнего ИК диапазона. Совместное воздействие на среду терагерцевого и ИК излучения открывает возможности для управления оптическими свойствами среды, а также диагностики её состояния. Особый интерес в данном направлении представляют полупроводниковые среды, являющиеся основой современной оптоэлектронной базы, а также газовые среды, допускающие тонкую подстройку оптических свойств за счёт изменения давления. В связи с этим в рамках данного проекта планируется провести исследования по обогащению спектра гармоник высокого и низкого порядков, генерируемых фемтосекундным лазерным излучением ИК диапазона в газовых средах в присутствии терагерцевого поля. Относительно лазерного воздействия на полупроводниковые среды в рамках данного проекта будет проведено исследование процессов просветления и оптического пробоя терагерцевым излучением. Таким образом, предметом продолжения данного проекта является реализация новых подходов к высокоэффективной генерации излучения ИК и терагерцевого диапазонов, а также управление нелинейным откликом газовых и полупроводниковых сред в условиях мультиспектрального воздействия в присутствии интенсивного ТГц поля. Результаты данных исследований внесут вклад в развитие методов стационарной и нестационарной диагностики полупроводниковых материалов оптоэлектроники, что является одной из приоритетных задач в рамках обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации и определяет актуальность предлагаемого исследования.

Ожидаемые результаты
1. Будут разработаны методы увеличения энергии, расширения спектра и уменьшения длительности генерируемых импульсов фемтосекундного излучения, перестраиваемого в ближнем и среднем ИК диапазоне длин волн, в схемах оптического параметрического усиления (прямое параметрическое усиление и параметрическое усиление с чирпированными импульсами сигнальной волны и накачки) на основе новых тройных и четверных полупроводниковых кристаллов при накачке излучением тераваттной лазерной системы (на основе титан-сапфира или хром-форстерита). 2. Будет проведено комплексное исследование увеличения эффективности оптико-терагерцевого преобразования и расширение спектра терагерцевого излучения, генерируемого в конденсированных и газовых средах, за счет использования мощного перестраиваемого излучения накачки параметрического усилителя ближнего и среднего ИК диапазона длин волн, а также изучено влияние параметров (длина волны, ширина спектра, длительность, чирп) используемого излучения накачки ИК диапазона на энергию и спектр генерируемого терагерцевого излучения. 3. Будут исследованы нелинейно-оптические процессы (генерация гармоник высокого порядка оптическим излучением, насыщение поглощения и пробой в полупроводниках) в поле интенсивного терагерцевого излучения. Результаты выполненных исследований позволят значительно продвинуться в понимании фундаментальных механизмов генерации мощного терагерцевого излучения в конденсированных и газовых средах за счет использования мощного перестраиваемого излучения накачки параметрического усилителя ближнего и среднего ИК диапазона длин волн. Разработка способов высокоэффективного преобразования лазерного излучения ближнего ИК диапазона в труднодоступные средний и дальний ИК диапазоны и методов генерации малопериодного терагерцевого излучения открывают путь к созданию сверхширокополосного (от ИК до ТГц) источника мощного когерентного излучения. Возможность применения терагерцевого излучения для обогащения спектра гармоник высокого порядка и расширения спектра данного излучения в сторону больших энергий фотонов в рентгеновском диапазоне является перспективной технологией улучшения пространственного разрешения в рамках процесса полупроводниковой фотолитографии. Управление коэффициентом поглощения полупроводниковых сред с использованием терагерцевого излучения открывает возможности для управления свойствами таких сред на сверхбыстрых (фс-пс) временных масштабах. Наличие фемтосекундного временного разрешения в условиях мультиспектрального возбуждения позволит развить методы стационарной и нестационарной диагностики новых материалов оптоэлектроники, в том числе важных полупроводниковых материалов, что является одной из приоритетных задач в рамках обеспечения технологического суверенитета Российской Федерации.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Экспериментально реализовано прямое параметрическое усиление в кристаллах LGS и HGS I-ого типа синхронизма для получения перестраиваемого излучения в ближнем и среднем ИК диапазоне. Были получены импульсы длительностью в несколько оптических циклов поля гигаваттного уровня мощности в спектральной области 1,5 – 8 мкм с помощью хром-форстеритового лазера накачки (1,24 мкм, 3,3 мДж, 100 фс, 10 Гц). Показано, что оптический параметрический усилитель на основе кристаллов LGS позволяет получить наиболее короткие импульсы длительностью от 2 до 5 оптических циклов поля в диапазоне длин волн 4,5 – 6 мкм, тогда как ОПУ на основе кристаллов HGS позволяет генерировать импульсы субгигаваттного уровня длительностью меньше 80 фс с наибольшей суммарной эффективностью преобразования до 18%. [Suleimanova D.Z., A. V. Pushkin and F. V. Potemkin, Book of Abstracts of “VII International Conference on Ultrafast Optical Science Ultrafast Light 2023”] Осуществлена генерация ТГц излучения в органическом кристалле DAST размером 10х10х0,5 мм с использованием излучения, перестраиваемого в диапазоне 1,2 – 1,5 мкм и полученного в трёхкаскадном параметрическом усилителе, основанном на кристаллах BBO II-ого типа синхронизма с накачкой излучением титан- сапфирового лазера. Максимальная эффективность оптико-терагерцевого преобразования составила до 3%, что соответствует энергии гене-рируемого ТГц излучения до 55 мкДж, и была достигнута при накачке кристалла излучением на длине волны 1,3 мкм. Показана возможность управления спектром мощного малопериодного терагерцевого излучения, генерируемого в орга-ническом кристалле DAST, путем чирпирования излучения накачки, в качестве которого использовалось фемтосекундное лазерное излучение системы на кристалле хром-форстерита с длиной волны 1.24 мкм. Установлено, что увеличение ли-нейного чирпа генерирующего излучения приводит к обужению спектра терагерцевого излучения и его смещению в низ-кочастотную область. Проведенное моделирование процесса генерации терагерцевого излучения в рамках модели тре-хволнового смешения показывает, что в основе данного эффекта лежит изменение ширины фазового синхронизма вы-рожденного процесса генерации разностной частоты терагерцевого диапазона. Реализована генерация гармоник высокого порядка (15–25) в вакуумной ультрафиолетовой области спектра (83–50 нм) при воздействии сфокусированного (N A = 0.033) фемтосекундного лазерного излучения ближнего ИК диапазона (λ = 1.24 мкм) на плотную газовую струю при вакуумной интенсивности ∼7.5·1014 Вт/см2. Экспериментально показано, что использование такой фокусировки с высокой числовой апертурой требует использования высоких (до 10 бар) давлений для оптимизации фазового согласования. Кроме того, показано, что пре-чирпирование генерирующего импульса позволяет скомпенсировать чирп, возникающий вследствие фазовой самомодуляции, и увеличить эффективность генерации гармо-ник вследствие нелинейной компрессии генерирующего импульса. Данный подход позволил сгенерировать излучение 17-й гармоники (73 нм) с энергией в импульсе на уровне 2 пДж и соответствующей эффективностью генерации 5.4 · 10−9, что, согласно проведенным оценкам, позволяет использовать такое излучение для одноимпульсной безмасочной фотоли-тографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне. [Б. В. Румянцев, А. В. Пушкин, Ф. В. Потёмкин. (2023). Письма в ЖЭТФ, 118(4), 270–279. ] Осуществлена генерация гармоник высокого порядка (15-25, 83-50 нм) в газовой струе аргона в условиях относительно острой (NA = 0.033) фокусировки. Показано, что использование такой фокусировки требует использования больших плотностей газовой среды, соответствующих подводимому давлению до 10 бар, что приводит к заметному проявлению нелинейных эффектов распространения генерирующего излучения в области газовой мишени, которые приводят к изме-нению условий фазового согласования. Показано, что измерение зависимости эффективности генерации гармоник от давления газовой струи позволяет оценить концентрацию свободных электронов плазмы, генерирующейся в области га-зовой мишени. [ B. V. Rumiantsev, A. V. Pushkin and F. V. Potemkin, Book of Abstracts of “VII International Conference on Ultrafast Optical Science Ultrafast Light 2023”, Реализована генерация предельно короткого ТГц-излучения при накачке широкоапертурного органического кристалла DAST фемтосекундным лазерным излучением мультигигаваттной системы на кристалле Cr:Forsterite. Показано, что оп-тимизация условий фокусировки позволяет получить пиковую напряженность ТГц-поля на уровне 10 МВ/см, что, как показал эксперимент, достаточно для наблюдения эффекта просветления кремния с электронным типом проводимости. Получение указанного сильного поля в предельно-коротком ТГц-импульсе открывает возможности для эксперименталь-ного исследования нелинейной оптики в ТГц диапазоне длин волн. [Б.В. Румянцев, А. В. Пушкин, Д. З. Сулейманова, Н. А. Жидовцев, Ф.В. Потёмкин. (2023). Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики, 117(8), 571–579.] Осуществлена характеризация ТГц импульсов и установлена зависимость их параметров от длительности импульса накачки в процессе оптического выпрямления в органическом кристалле DAST. Было показано, что форма ТГц импуль-сов, полученная с помощью метода электрооптического детектирования (EOS), и спектр ТГц излучения, полученный при помощи интерферометра Майкельсона, находятся в хорошем согласии с результатами численным моделирования на ос-нове метода FDTD. Также показано уширение спектра генерации ТГц излучения при уменьшении длительности импульса накачки до 35 фс. [N. A. Zhidov-tsev, B.V. Rumiantsev, P.A. Shulyndin, F.V. Potemkin and A.B. Savel’ev, Book of Abstracts of “VII International Conference on Ultrafast Optical Science Ultrafast Light 2023”] Показано, что сильное (на уровне 10 МВ/см) терагерцевое излучение позволяет наблюдать нелинейно-оптические эффек-ты в полупроводниковых средах, определяемые электронной динамикой в зоне проводимости и валентной зоне. На осно-ве проведенных экспериментов показано, что воздействие такого ТГц-поля позволяет наблюдать эффект ударной иониза-ции в полупроводниках Si и GaAs с собственной проводимостью в поле предельно-короткого ТГц-импульса, полученного при накачке органического кристалла DAST фемтосекундным лазерным излучением системы на кристалле Cr:Forsterite.

 

Публикации

1. Пушкин А.В., Потёмкин Ф.В. Refining the performance of mid-IR CPA laser systems based on Fe-doped chalcogenides for nonlinear photonics Photonics, - (год публикации - 2023)

2. Румянцев Б.В., Пушкин А.В., Потёмкин Ф.В. High Harmonic Generation near the Low-Frequency Edge of a Plateau under Nonlinear Propagation of 1.24-μm Near-Infrared Femtosecond Laser Radiation in a Dense Argon Jet JETP Letters, Vol. 118, No. 4, pp. 273–281 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0021364023602300

3. Румянцев Б.В., Пушкин А.В., Сулейманова Д.З., Жидовцев Н.А., Потёмкин Ф.В. Generation of Intense Few-Cycle Terahertz Radiation in Organic Crystals Pumped by 1.24-μm Multigigawatt Chirped Laser Pulses JETP Letters, Vol. 117, No. 8, pp. 566–573 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0021364023600416