Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В текущем году мы теоретически рассмотрели вопрос о возможности создания короткой оптической трассы компрессированного газа, эквивалентной значительно более протяженной трассе атмосферного давления с точки зрения подобия масштабов трансформации ключевых параметров филаментации фемтосекундного лазерного импульса. В рамках модели нелинейного уравнения Шредингера мы получили соотношения масштабируемости параметров излучения, которые позволяют формально заменить нелинейное распространение лазерного импульса с достаточно широкой (сантиметровой) начальной апертурой и высокой (тераваттной) мощностью в режиме множественной филаментации на километровой дистанции в атмосферном воздухе на филаментацию существенно более узкого (миллиметрового) пучка умеренной мощности (гигаватты) в масштабах лаборатории в условиях высоко компрессированной воздушной среды. Эквивалентность оптических трасс при изменении давления среды означает близкие масштабы нелинейных трансформаций основных параметров оптического излучения (размер, распределение энергии, характеристики плазменной области, положение и протяженность участка филаментации, среднее число филаментов, спектральный состав импульса), если описывать его распространение в нормированных переменных. Также экспериментально и теоретически исследовано влияние внешней пространственной фокусировки фемтосекундного лазерного импульса при его филаментации в воздухе на величину оптической энергии, выделенной в среду распространения в результате процессов лазерной ионизации и образования плазмы. Результаты исследований показали, что в диапазоне фокусировок импульса, приблизительно 0.003 < NA < 0.007, наблюдается выраженное снижение (порядка 50%) передачи энергии филамента в воздух, что коррелирует с переходной областью между режимами нелинейного распространения импульса преимущественно под действием керровской самокомпрессии, или геометрической фокусировки. Кроме того, экспериментально исследовано влияние входных окон оптической кюветы на характеристики фемтосекундного суперконтинуума. Установлено, что начальный фазовый набег, обусловленный наличием входного окна различной толщины, не оказывает существенного влияния на возникновение конической эмиссии в постфиламентационном канале. При этом, влияние выходного оптического окна на спектр постфиламента, сформированного внутри оптической кюветы, является существенным только при филаментации излучения вблизи оптического окна, на расстояниях <60см. При удалении местоположения лазерного филамента от выходного окна до 1м спектральный состав постфиламента изменяется несущественно даже для толщины стеклянной пластинки 20мм. Проведены исследования по установлению влияния избыточного давления газовой среды (азота) на спектральные и пространственные характеристики фемтосекундного лазерного импульса при филаментации в сфокусированной геометрии. Для формирования области с повышенным давлением была использована оптическая кювета, изготовленная из нержавеющей стали длиной 1 м с внутренним диаметром 5 см, входным и выходным окнами из плавленого кварца толщиной 0.5 см. Кювета выдерживала избыточное давление до 11 атм. и устанавливалась так, что геометрический фокус зеркала находился в центре кюветы. Показано, что в условиях повышенного давления азота и острой геометрической фокусировки фемтосекундного излучения реализуется его самофокусировка и нелинейное распространение, которое с увеличением давления газа переходит из режима одиночной филаментации в режим формирования множества интенсивных световых каналов. За счет фазовой самомодуляции фемтосекундного излучения происходит существенное уширение спектра лазерного импульса преимущественно в длинноволновую область. Ширина спектра импульса возрастает практически линейно с повышением давления в кювете. В используемой геометрии эксперимента (острая фокусировка, широкий пучок) влияние входного и выходного кварцевых окон кюветы на процесс филаментации пучка является несущественным. В рамках задачи развития методики получения структурированного фемтосекундного излучения различной степени сегментирования с помощью искусственного турбулентного экрана проведены эксперименты по разработке и экспериментальной апробации удаленной лазерной нелинейной флуоресцентной спектроскопии возбуждения эмиссионного свечения аэрозолей под действием структурированного фемтосекундного излучения. Исследования показали, что предварительное сегментирование мощного лазерного излучения за счет прохождения им турбулентного слоя со случайно-неоднородным показателем преломления в форме нагретой струи воздуха, приводит за счет развития мелкомасштабной самофокусировки к формированию в пучке множества высокоинтенсивных слаборасходящихся световых каналов (постфиламентов). Характерная интенсивность этих постфиламентов оказывается достаточной для реализации двухфотонного поглощения в объеме частиц аэрозоля, что в свою очередь существенно увеличивает величину регистрируемого (по лидарной схеме) сигнала флуоресценции. Выполнено конструирование и разработана инженерная документация по изготовлению линейки из двух кювет высокого давления для эмуляции длинной атмосферной оптической трассы, выполненные из нержавеющей стали с оптическими окнами из кристаллического кварца или лейкосапфира. Сегменты кювет (по 2000 мм длиной, сечением 50мм) имеют вварные патрубки для наполнения газовой смесью и контроля давления с помощью манометра.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работы по проекту в рамках этапа 2025г. были посвящены, в основном, исследованиям взаимодействия мощных фемтосекундных лазерных импульсов со сжатыми газами, помещенными в оптические кюветы высокого давления (КВД). К началу данного этапа исследований были изготовлены и протестированы под давлением (до 75 атм.) две компрессированные модельные оптические трассы, реализованные внутри оптических кювет. Одна из них (Приложение 2) составлена последовательно из нескольких 2-х метровых сегментов из металлических труб диаметром 50 мм с приваренными аргоновой сваркой фланцами, в которых встроены оптические окна из кварца (25мм) или лейкосапфира (8мм) с нанесенным на них просветляющим покрытием. Кювета размещена на подвижном основании в лаборатории нелинейно-оптических взаимодействий ИОА СО РАН (г. Томск). Использовалось два рабочих газа – азот и аргон. Отличительной особенностью данного изделия является возможность реализации градиента давления газа в соседних сегментах КВД. Это имеет ключевое значение для имитации филаментации мощного излучения на наклонных оптических трассах в планетарной атмосфере, когда присутствует барометрическая изменчивость плотности среды распространения. В текущем отчетном периоде эксперименты проводились с двумя сегментами общей длиной 4 м с наличием перепада давления газа, что было эквивалентно нелинейному распространению фемтосекундного излучения на оптической трассе атмосферного давления до 300 м. В текущем году была изготовлена еще одна оптическая кювета (Приложение 1, 3 и 4), предназначенная для проведения экспериментов в умеренно сжатой атмосфере (до 11 атм.). Кювета представляет собой толстостенную поликарбонатную трубу из двух сегментов общей длиной 3.2 м с приклеенными фланцами с окнами из кварцевого стекла. Основным достоинством данной кюветы является то, что прозрачные стенки трубы позволяют фиксировать пространственное положение лазерного филамента и исследовать спектральный состав эмиссии плазмы. Наполнение кюветы осуществлялось углекислым газом, как имитатором планетарной атмосферы Марса и Венеры, а также азотом, аргоном и гелием. Кювета размещена на фемтосекундной установке в лаборатории спектроскопии ультрабыстрых процессов ИСАН (г. Троицк). Третий коллектив участников проекта проводил экспериментальные исследования по лазерной филаментации при атмосферном давлении для изучения влияния фазового набега, привнесенного оптическими элементами (фокусирующие линзы, входные-выходные окна), на динамику самофокусировки фемтосекундного лазерного импульса (Приложение 5). Для этого в лаборатории фемтосекундной нелинейной оптики ФИАН (г. Москва) была организована воздушная трасса длиной до 20м для сфокусированного распространения фемтосекундного излучения с различной числовой апертурой (от 0.003 до 0.2) с варьируемой энергией в импульсе до 4 мДж. Была экспериментально опробована методика по использованию каскада стеклянных пластинок, помещаемых в лазерный пучок после нелинейного фокуса (на этапе постфиламентационного распространения), для снижения угловой расходимости постфиламентов и повышения общей стабильности профиля всего пучка за счет керровского линзирования в каскаде стекол. Это имеет определенные перспективы для применения в оптической связи, дистанционном зондировании и других областях, требующих передачи энергии на большие расстояния. Кроме того, используя электропроводящие свойства постфиламентационных каналов, нам удалось провести экспериментальную демонстрацию удаленного поджига электрического разряда на дистанции 6м в воздухе лазерным излучением. Изначально в заявке эти исследования были запланированы на третий год. Для объяснения полученных экспериментальных результатов по формированию спектральных особенностей при распространении фемтосекундного импульса в режиме филаментации в сжатых газах мы широко использовали как численное моделирование, так и полуаналитический подход к данной проблеме. Основой для численного моделирования являлось известное уравнение однонаправленного распространения импульса (UPPE), сформулированное в (3D+1) области пространственно-временных частот, или же его упрощенная версия в форме нелинейного уравнения Шредингера (NLSE). Для ускорения численного счета была использована развитая нами методика, основанная на модифицированном методе фазовых экранов при задании их на разреженной пространственной сетке. Развитый нами аналитический подход к проблеме разработки методов масштабирования оптической модели нелинейного распространения ультракороткого лазерного импульса в газовой среде создает предпосылки не только к ускорению прямого численного моделирования сложных физических процессов, которое не всегда возможно или затруднительно, но и способствует созданию упрощенных эффективных моделей лазерной филаментации. Такие модели, работающие в определенном ограниченном диапазоне начальных параметров излучения, после их экспериментальной верификации позволят установить количественные и качественные соответствия на разных масштабах процессов даже в области проявления нелинейных по плотности эффектов.