Генерация и усиление (суб)пикосекундных лазерных импульсов среднего ИК-диапазона с центральной длиной волны ~10 мкм в гибридной лазерной системе

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 проекта 22-79-10068

НазваниеГенерация и усиление (суб)пикосекундных лазерных импульсов среднего ИК-диапазона с центральной длиной волны ~10 мкм в гибридной лазерной системе

Руководитель Киняевский Игорь Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова Лазер, средний ИК-диапазон, ультракороткий импульс, нелинейная оптика

Код ГРНТИ45.51.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В рамках проекта будет разрабатываться гибридная лазерная система, излучающая мощные (суб)пикосекундные импульсы с центральной длиной волны в районе 10 мкм. Интерес к таким системам мотивирован тем, что с переходом к более длинноволновому излучению открываются новые, во-многом уникальные, возможности для различных фундаментальных и прикладных исследований. Лазерная система будет состоять из твердотельного задающего генератора и усилителя на основе электроразрядного СО2-лазера высокого давления. Задающий генератор будет построен на основе фемтосекундного титан-сапфирового лазера, работающего в ближнем ИК-диапазоне, ВКР (вынужденное комбинационное рассеяние) преобразователя частоты, где будет генерироваться двухчастотное излучение (с разностью частоты ~1000 см-1), и генератора излучения на разностной частоте с длиной волны ~10 мкм на основе нелинейно-оптического кристалла. При разработке такой лазерной системы потребуется решить ряд как научных, так и технических задач. В их числе поиск путей повышения эффективности, энергетики и стабильности преобразования частоты излучения ультракоротких лазерных импульсов в ВКР активных и нелинейных кристаллах и усиления ультракоротких лазерных импульсов в СО2-лазерном усилителе; согласование спектральных и синхронизация временных характеристик твердотельного задающего генератора с газовым лазерным усилителем, разработка методов и аппаратуры для регистрации и диагностики ультракоротких лазерных импульсов среднего ИК-диапазона, и другие.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Киняевский И.О.,Ковалев В., Данилов П., Смирнов Н., Кудряшов С., Корибут А., Ионин А. Highly efficient transient stimulated Raman scattering on secondary vibrational mode of BaWO4 crystal due to its constructive interference with self-phase modulation Chinese Optics Letters, Номер 3, Том 21, стр 031902 (год публикации - 2023)
10.3788/COL202321.031902

2. Киняевский И.О., Селезнев Л.В., Ионин А.А. Spectral Broadening of Chirped Laser Pulse Caused by Four-Wave Mixing in BaWO4 Crystals Photonics, номер 12, том 9, страница 1000 (год публикации - 2022)
10.3390/photonics9121000

3. Киняевский И.О., Корибут А.В., Гриценко И.В., Сагитова А.М., Ионин М.В., Дунаева Е.Э., Ионин А.А. Влияние фокусировки на нестационарное ВКР 0.3 ps лазерных импульсов в кристалле BaWO4 с самозаправкой ФСМ Оптика и спектроскопия, номер 2, том 131, страницы 202-206 (год публикации - 2023)
10.21883/OS.2023.02.55006.6-23

4. Корибут А.В., Киняевский И.О., Ковалев В.И., Данилов П.А., Смирнов Н.А., Кудряшов С.И., Дунаева Е.Э., Ионин А.А. Influence of self-focusing on transient SRS in BaWO4 crystal under self-seeding by self-phase modulation Book of Abstracts, VI International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2022, стр 108 (год публикации - 2022)

5. Киняевский И.О., Ковалев В.И., Корибут А.В., Дунаева Е.Э., Семин Н.С., Ионин А.А. Вынужденное комбинационное рассеяние 0.3-ps лазерных импульсов с длиной волны 515 nm в кристаллах Ca3(VO4)2 и Ca0.27Sr0.3(VO4)2 Оптика и спектроскопия, номер 2, том 131, страницы 207-211 (год публикации - 2023)
10.21883/OS.2023.02.55007.8-23

6. Семин Н.С., Киняевский И.О., Корибут А.В., Данилов П.А., Кудряшов С.И., Ковалев В.И., Дунаева Е.Э., Воронина И.С., Ионин А.А. Two-photon abortion of 0.3-ps 515-nm laser pulses in Ca3(VO4)2 crystal Book of Abstracts, VI International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2022, стр 115 (год публикации - 2022)

7. Семин Н.С., Киняевский И.О., Ковалев В.И., Селезнев Л.В., Корибут А.В., Дунаева Е.Э., Ионин А.А. Вынужденное комбинационное рассеяние чирпированных импульсов титан-сапфирового лазера в шеелитоподобных кристаллах XII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов., стр 392-393 (год публикации - 2023)

8. Киняевский И.О., Климачев Ю.М., Козлов А.Ю., Рулев О.А., Синицин Д.В., Шутов А.В. СО2 лазер атмосферного давления на основе установки для эксимерного лазера XII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов., стр 96-97 (год публикации - 2023)

9. Киняевский И.О., Корибут А.В., Селезнев Л.В., Климачев Ю.М., Ионин А.А. Генерация пикосекундных импульсов с длиной волны 11,4 мкм на основе последовательного преобразования частоты излучения титан-сапфирового лазера в кристаллах SrMoO4 и LiGaS2 IX Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2023: Сборник научных трудов, стр 54 (год публикации - 2023)

10. Корибут А.В., Киняевский И.О., Ковалев В.И., Ионин А.А. Вынужденное комбинационное рассеяние в кристалле SrMoO4 при накачке 300-фс лазерными импульсами на длине волны 515 нм IX Международная конференция «Лазерные, плазменные исследования и технологии» ЛаПлаз-2023: Сборник научных трудов, стр 68 (год публикации - 2023)

11. Киняевский И.О., Корибут А.В., Селезнев Л.В., Грудцын Я.В., Дунаева Е.Э. Stimulated Raman scattering of chirped Ti:sapphire laser pulse in BaWO4, SrMoO4 and Ca3(VO4)2 crystals Optics Communications, Optics Communications 546 (2023) 129800 (год публикации - 2023)
10.1016/j.optcom.2023.129800

12. Киняевский И.О., Корибут А.В., Селезнев Л.В., Климачев Ю.М., Дунаева Е.Э., Ионин А.А. Frequency conversion of a chirped Ti:sapphire laser pulse to 11.4 μm wavelength with SrMoO4 Raman shifter and LiGaS2 DFG crystal Optics and Laser Technology, Optics & Laser Technology 169 (2024) 110035 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optlastec.2023.110035

13. Киняевский И.О., Корибут А.В., Селезнев Л.В., Грудцын Я.В. Вынужденное комбинационное рассеяние импульсов титан-сапфирового лазера длительностью от 7 до 45 ps в кристалле BaWO4 Оптика и спектроскопия, том 132, вып. 1, стр. 54-58 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.01.57549.4-24

14. Киняевский И.О., Корибут А.В., Грудцын Я.В., Ионин М.В. Преобразование частоты фемтосекундного импульса титан-сапфирового лазера в длинноволновую область среднего ИК диапазона в кристалле BaGa2GeSe6 Письма в ЖЭТФ (год публикации - 2024)

15. Ионин А.А., Киняевский И.О., Козлов А.Ю., Синицын Д.В. СПЕКТРОГРАФ НА БАЗЕ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЛИНЕЙКИ ДЛЯ ДЛИННОВОЛНОВОЙ ОБЛАСТИ СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2024)

16. КИНЯЕВСКИЙ И.О., КОРИБУТ А.В., ГРУДЦЫН Я.В., ИОНИН М.В. ГЕНЕРАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ В ДИАПАЗОНЕ ОТ 5,5 ДО 9,5 МКМ ПУТЕМ ГЕНЕРАЦИИ РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ТИТАН-САПФИРОВОГО ЛАЗЕРА В КРИСТАЛЛЕ AgGaS2 СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ «X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЛАПЛАЗ-2024», c. 48 (год публикации - 2024)

17. Киняевский И.О., Корибут А.В., Селезнев Л.В., Климачев Ю.М., Ионин А.А. Long-wave infrared picosecond laser system based on SrMoO4 Raman shifter and LiGaS2 DFG converter Book of Abstracts “VII International Conference on Ultrafast Optical Science «UltrafastLight-2023»”, с. 101 (год публикации - 2023)

18. Корибут А.В., Киняевский И.О., Данилов П.А., Кудряшов С.И. Self-focusing and self-phase modulation of focused laser beam around critical power Book of Abstracts “VII International Conference on Ultrafast Optical Science «UltrafastLight-2023»”, с. 102 (год публикации - 2023)

19. Семни Н.С., Киняевский И.О., Корибут А.В., Грудцын Я.В., Селезнев Л.В. Sum frequency mixing of femtosecond Ti:sapphire and nanosecond Nd:YAG laser pulses in KDP crystal Book of Abstracts “VII International Conference on Ultrafast Optical Science «UltrafastLight-2023»”, с. 114 (год публикации - 2023)

20. ГРУДЦЫН Я.В., КОРИБУТ А.В., КИНЯЕВСКИЙ И.О., КОВАЛЕВ В.И., ИОНИН А.А. ВЫНУЖДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ ЧИРПИРОВАННОГО ИМПУЛЬСА ТИТАН-САПФИРОВОГО ЛАЗЕРА В КАРБОНАТЕ КАЛЬЦИЯ С ЗАТРАВКОЙ УЗКОПОЛОСНЫМ НАНОСЕКУНДНЫМ ND:YAG ЛАЗЕРОМ СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ «X МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ЛАПЛАЗ-2024», с. 42 (год публикации - 2024)

21. Ионин М.В., Киняевский И.О., Корибут А.В., Грудцын Я.В., Климачев Ю.М., Ковалев В.И. Difference frequency generation into the mid-IR range (5.5-11.5 μm) using femtosecond Ti:sapphire laser and nonlinear BaGa2GeSe6,LiGaS2, AgGaS2 crystals Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 , Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 September 30– October 2, 2024 Lebedev Physical Institute, Moscow, p. 109 (2024) (год публикации - 2024)

22. Ковалев В.И., Киняевский И.О., Корибут А.В., Грудцын Я.В. Stimulated Raman scattering of broadband chirped Ti:sapphire laser pulse in calcium carbonate with Stokes seeded by narrowband nanosecond Nd:YAG laser pulse Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)». 2024., Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)». 2024. №24. с. 127 (2024) (год публикации - 2024)

23. Киняевский И.О., Ковалев В.И., Корибут А.В., Грудцын Я.В. Stimulated Raman scattering of a broadband chirped Ti:sapphire laser pulse in calcite seeded by a narrowband nanosecond Nd:YAG laser pulse Journal of Applied Physics, J. Appl. Phys. 136, 123103 (2024); (год публикации - 2024)

24. Киняевский И.О., Грудцын Я.В., Корибут А.В., Ионин М.В. Филаментация 100-фс импульсов титан-сапфирового-лазера в газах для формирования сигнальной волны генератора разностной частоты Квантовая электроника, «Квантовая электроника», 54, № 4, 231 (2024) (год публикации - 2024)
10.3103/S106833562460178X

25. Грудцын Я.В., Киняевский И.О., Корибут А.В., Ионин М.В. Filamentation of 100 fs titanium sapphire laser pulses in different gases for difference frequency generation to the mid-IR range Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024, Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 September 30– October 2, 2024 Lebedev Physical Institute, Moscow, p. 108 (2024) (год публикации - 2024)

26. Ковалев В.И., Киняевский И.О., Корибут А.В., Грудцын Я.В. Stimulated Raman scattering of broadband chirped laser pulse in CaCO3 with Stokes seeded by narrowband nanosecond laser pulse Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 , Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 September 30– October 2, 2024 Lebedev Physical Institute, Moscow, p. 113 (2024) (год публикации - 2024)

27. Киняевский И.О., Корибут А.В., Грудцын Я.В., Ионин М.В. Difference frequencies generation into the mid-IR range (5.5-9.5 μm) using femtosecond Ti:sapphire laser and a nonlinear AgGaS2 crystal Abstracts. 2024 International Conference Laser Optics (ICLO) IEEE, In 2024 International Conference Laser Optics (ICLO) (pp. 84-84). IEEE. (2024) (год публикации - 2024)

28. И.О. Киняевский, А.В. Корибут, Я.В. Грудцын, М.В. Ионин, Ю.М. Климачев, Н.Н. Юдин, А.А. Ионин Frequency conversion of femtosecond Ti:Sapphire laser pulse into 5–11 μm wavelength range with ZnGeP2, AgGaS2 and LiGaS2 crystals Optics and Laser Technology, Vol. 183, p. 112270, (2025) (год публикации - 2025)
10.1016/j.optlastec.2024.112270

29. М.В. ИОНИН, И.О. КИНЯЕВСКИЙ, А.В. КОРИБУТ, Я.В. ГРУДЦЫН, Ю.М. КЛИМАЧЕВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МАКЕТ ГИБРИДНОЙ (СУБ)ПИКОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ С ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ~10 МКМ СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ "XI МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ – ЛАПЛАЗ-2025», НИЯУ МИФИ, Москва, с. 39 (2025) (год публикации - 2025)

30. Ионин М.В., Ионин А.А., Киняевский И.О., Климачев Ю.М., Корибут А.В., Сагитова А.М., Федорова Е.П., Бадиков Д.В., Сафаралиев Г.К. Исследование эффективной нелинейности кристалла BaGa2GeS6 по генерации суммарных частот СО-лазера I и II типа фазового синхронизма Квантовая электроника (год публикации - 2024)

31. Корибут А.В., Киняевский И.О., Ковалев В.И. Effects responsible for efficient stimulated Raman scattering of femtosecond pulses in BaWO4 crystal Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 , Book of Abstracts VIII International Conference on Ultrafast Optical Science UltrafastLight-2024 September 30– October 2, 2024 Lebedev Physical Institute, Moscow, p. 112 (2024) (год публикации - 2024)

32. Игорь Киняевский, Андрей Корибут, Яков Грудцын, Максим Ионин Frequency conversion of a 100-fs Ti:sapphire laser pulse into the mid-IR range in a single HgGa2S4 nonlinear crystal with a quantum efficiency of 30% Optics Letters, Vol. 50, No. 7, pp. 2267-2269 (год публикации - 2025)
10.1364/OL.555407

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Данный этап проекта был посвящен запуску гибридной лазерной системы и повышению эффективности преобразования частоты (генерации разностной частоты) излучения фемтосекундного титан-сапфирового лазера в нелинейном кристалле в новой схеме, где сигнальная волна формируется за счёт филаментации лазерного импульса в газе. Для этого исследован ряд нелинейных кристаллов AgGaS2, BaGa2GeS6, BaGa2GeSe6, BaGa4Se7 и HgGa2S4, а также спектральное уширение лазерного импульса при филаментации в различных газах и давлениях. Среди рассмотренных нелинейных кристаллов наиболее эффективным оказался кристалл HgGa2S4. Разработана лазерная система среднего ИК-диапазона на основе преобразования частоты излучения фемтосекундного импульса титан-сапфирового лазера в одном образце кристалла HgGa2S4, которая на наш взгляд имеет лучшее сочетание простоты и эффективности. В этой установке сигнальная волна формировалась путем расширения спектра вышеупомянутого лазерного импульса при его филаментации в газовой ячейке с CO2 при давлении 1 атм. Была продемонстрирована перестройка спектра лазерного импульса в интервале длин волн 6–10,5 мкм. Максимальная энергия лазерного импульса длительностью 0,24 пс на длине волны 8 мкм достигала до 35 мкДж при внутренней квантовой эффективности преобразования 30%. Этот результат опубликован в научном журнале Optics Letters [https://doi.org/10.1364/OL.555407] и отмечен публикациями в ряде СМИ [https://rscf.ru/news/release/uchenye-nashli-prostoy-sposob-prevratit-sverkhkorotkie-lazernye-impulsy-blizhnego-infrakrasnogo-diap/] и [https://www.kommersant.ru/doc/7657118]. Этот результат был достигнут, в том числе, за счёт успешного исследования филаментации 100-фемтосекундных импульсов титан-сапфирового лазера (центральная длина волны 950 нм) при их филаментации в пяти разных газах: N2, NH3, He, CO2 и CO. Наибольшие уширение и энергетика в стоксовой области спектра получены в CO2. Вариация давления CO2 в газовой ячейке показала, что для титан-сапфирового лазера с энергией импульсов в несколько мДж, наибольшая энергетика излучения в стоксовом крыле со сдвигом ~1000 см–1 достигается при давлении 1 бар. Также для каждого из исследуемых газов проведена оценка нелинейного показателя преломления при давлении 1 бар. Этот результат опубликован в научном журнале Квантовая Электроника [https://doi.org/10.3103/S106833562460178X]. Мы полагаем, что дальнейшее повышение эффективности генерации разностной частоты может быть реализовано с применением нового нелинейного кристалла BaGa2GeS6. Однако до последнего времени данный материал не проявил себя как эффективный кристалл для преобразования частоты в связи с неопределенностью его направления с наибольшей нелинейностью. Для решения этой проблемы экспериментально исследована генерация суммарных частот излучения широкополосного СО-лазера (λ~5-6 мкм) в BaGa2GeS6 по I и II типу фазового синхронизма при вариации полярного и азимутального углов этого кристалла. На основе экспериментальных данных и их сравнения с расчётами определен набор коэффициентов тензора нелинейной восприимчивости BaGa2GeS6, описывающий результаты эксперимента наиболее корректно. Этот результат опубликован в научном журнале Квантовая Электроника [https://doi.org/10.3103/S1068335624601365]. Реализовано пространственное и временное согласование фемтосекундного титан-сапфирового лазера с преобразованием частоты его излучения в кристалле HgGa2S4 и СО2-лазерного усилителя, на которой проведены первые эксперименты. Таким образом, запущена гибридная лазерная система, действующая в районе длины волны 10 мкм.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Сочетание простоты и эффективности новой разработанной схемы генерации фемтосекундных лазерных импульсов среднего ИК-диапазона в нелинейном кристалле может сделать её востребованной и широко распространённой в различных научных и коммерческих лазерных установках. Такая система с небольшими затратами может быть воспроизведена в любой лаборатории, имеющей фемтосекундный титан-сапфировый лазер.