Фемтосекундная лазерная филаментация для удаленной диагностики и управления в свободном пространстве

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 25-49-00154

НазваниеФемтосекундная лазерная филаментация для удаленной диагностики и управления в свободном пространстве

Руководитель Савельев-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

Конкурс №99 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (NSFC)

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

Ключевые слова филаментация фемтосекундного лазерного излучения, беспроводная оптическая связь, турбулентность

Код ГРНТИ29.33.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
1. Методика удаленной диагностики фемтосекундых лазерных филаментов оптическим и многоканальным акустическим методом. 2. Экспериментальные установки в МГУ и университете Нанкай для диагностики фемтосекундного филамента на протяженной трассе при нормальных условиях (давление и температура воздуха) в присутствии аэрозолей. 3. Модель и программный код для численного моделирования филаментации и релаксации плазменного канала филамента в геометрии (t, x, y, z) с учетом накопительных эффектов в среде при разной частоте повторения лазерного импульса. 4. Набор экспериментальных данных по формированию канала беспроводной оптической связи в широком диапазоне параметров фемтосекундного филамента. 5. Механизмы удаления аэрозольных примесей из аэрозольного канала при фемтосекундной филаментации и оптимальные параметры излучения для создания канала оптической передачи данных. Достижение основных результатов 1, 2 и 5 позволит эффективно визуализировать одиночные и множественные филаменты, их каналы с пониженной плотностью воздуха на атмосферной трассе в присутствии аэрозолей и оптимизировать передачу информации оптическим методом в свободном пространстве. Достижение результата 2 позволит создать в России и Китае уникальные экспериментальные системы, на которых возможно проведение фундаментальных и прикладных исследований, требующих моделирование атмосферных трасс. Достижение результата 3 обеспечит возможность моделирование филаментации в условиях реального эксперимента в воздухе с учетом изменения времени между лазерными выстрелами. Таким образом, удастся предсказывать и интерпретировать результаты распространения фемтосекундного излучения и созданного им канала пониженной экстинкции на атмосферной трассе. К работе над проектом будут привлечены два молодых исследователя без степени кандидата наук, аспирант и два магистранта физического факультета МГУ. Результаты исследований по тематике проекта лягут в основу их кандидатских и магистерских диссертаций. Также, результаты проекта войдут в специальные курсы, читаемые на кафедре общей физики и волновых процессов, кафедре общей физики физического факультета МГУ, кафедре физики в филиале МГУ в г. Саров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведены эксперименты по акустической диагностике филаментов, формирующихся фемтосекундным лазерным импульсом в воздухе. Полученные поперечные изображения пучков с частым шагом по расстоянию, позволяют проследить динамику формирования отдельных филаментов и процессы перетекания одного филамента в другой. Получены данные о поперечных размерах плазменных каналов и объемной поглощенной плотности энергии в каждом отдельном филаменте вдоль распространения излучения с большой степенью детализации по расстоянию. По разработанной методике широкополосной акустической томографии филаментов отправлена статья в журнал Optics and Laser Technologies. Проведены эксперименты по измерению частотно-угловых спектров оптического излучения формирующегося при фемтосекундной филаментации в воздухе в широком диапазоне фокусировок и чирпа лазерного импульса. Экспериментально показано, что при формировании филамента фемтосекундным лазерным импульсом с отрицательным чирпом спектр излучения содержит последовательность отдельных спектральных компонент, тогда как в случае положительного чирпа формируется уединенный яркий максимум, несущий до 25 % общей энергии импульса. Переход от уединенного максимума к их последовательности в инфракрасной части спектра при переходе к отрицательным чирпам объясняется изменением порядка следования спектральных компонент и наиболее явно проявляется при острых фокусировках, что может быть связано с более высокой концентрацией плазмы. По данному материалу принята статья в журнал Письма в ЖЭТФ. Разработана принципиальная схема формирования цуга последовательных оптических импульсов, следующих с временным интервалом в несколько наносекунд и обладающих мощностью больше критической мощности самофокусировки в воздухе. Предполагается, что данная схема будет использоваться для удаления капель аэрозоля в процессе прохождения фемтосекундного излучения в воздухе. Создана кювета, позволяющая формировать в определенной области пространства среду, наполненную каплями водного аэрозоля. С помощью оптической диагностики сделаны экспериментальные оценки поперечного размера создаваемых капель и их концентрации в воздухе. Поперечный размер формируемых капель находится в диапазоне от 5мкм до 100 мкм при использовании ультразвукового генератора тумана и в диапазоне от 1 мкм до 20 мкм при использовании ультразвукового небулайзера. Проведены тестовые эксперименты по прохождению фемтосекундного лазерного филамента через область пространства с водным аэрозолем. Разработана модель и программный продукт для численного моделирования распространения последовательности фемтосекундных импульсов в воздухе с учетом накопления тепла в среде. Модель основана на параболическом уравнении для огибающей электрического поля, в котором учтен член, связанный с изобарным разрежением воздуха вследствие нагрева при рекомбинации плазмы, и уравнении теплопроводности, которое описывает эволюцию распределения температуры с течением времени. В моделировании показано, что концентрация свободных электронов, созданных импульсом, распространяющемся в невозмущенной среде, в 2–3 раза выше таковой в случае задержанного относительно него на 200–1000 мкс импульса.

Публикации

1. Косарева О.Г., Николаева И.А., Се Цз., Шипило Д.Е., Панов Н.А., Савельев А.Б., Чжао Х., Лю В. Optimum pulse duration for THz yield from the air-based plasma Technical Digest Series (Optica Publishing Group Munich, Germany) (год публикации - 2025)
10.1109/CLEO/Europe-EQEC65582.2025.11111155

2. Живенки Ан, Пенфей Ци, Цзян Цуэ, Хаййи Лиу, Юэшэн Wang, Лу Сан, Ольга Г. Косарева, Лин Чин, Пьер Агостини, Вейвей Лю Cascaded four-wave mixing decorated supercontinuum with discrete colorful rings during filamentation High power laser science and engeneering (год публикации - 2025)