Перспективный мультиспектральный фемтосекундный ИК лазерный комплекс с управляемыми пространственно-временными характеристиками в процессах нелинейного взаимодействия со средами с синтезированной нелинейностью

Предметом проекта является создание фемтосекундной полностью твердотельной ИК лазерной системы нового поколения для мультидисциплинарных исследований, в которой сочетаются последние достижения по нелинейно-оптическому способу формирования мультиспектрального затравочного излучения в диапазонах 1.6-2.0 мкм и 3.5-5,5 мкм и последующего многопроходового усиления излучения среднего ИК диапазона (3.5-5.5 мкм) по схеме стретчер-комрессор в халькогенидной среде Fe:ZnSe с оптической накачкой излучением наносекундного трехмикронного твердотельного эрбиевого лазера. Впервые будет проведено исследование возможностей расширения рабочего спектрального диапазона лазерной системы до 6 мкм при использовании кристалла Fe:CdSe. Для согласования спектра инжекции среднего ИК диапазона под полосу усиления Fe:ZnSe и Fe:CdSe в проекте предлагается использовать эффективную нелинейно-оптическую генерацию суперконтинуума при филаментации низкоэнергетичных (до 40 мкДж) фемтосекундных импульсов среднего ИК диапазона в смеси плотных газовых сред с управляемыми за счёт давления дисперсионными и нелинейными свойствами, а также стандартное расширение спектра за счёт фазовой самомодуляции в твердотельной среде с большим нелинейным показателем преломления (диэлектрики или полупроводники). Особое внимание будет уделено исследованию режимов распространения лазерного излучения среднего ИК диапазона в плотных газах с аномальной дисперсией групповой скорости и малым линейным поглощением: для 4 мкм – метан, для 5 мкм – углекислый газ. Одновременно с расширением спектра распространение ИК излучения в режиме филаментации в плотном газе позволяет провести пространственную фильтрацию излучения инжекции так необходимой для последующего распространения на большой оптической базе в стретчере и усилителе. Для борьбы с обужением спектральной полосы при усилении в лазерной халькогенидной среде расширение спектра усиленного излучения среднего ИК диапазона с мДж уровнем энергии и пикосекундной длительности предлагается также воспользоваться плотными газовыми средами, дисперсионные свойства которых будут специально подбираться с помощью соответствующей смеси газов, а нелинейные свойства специальным выбором давления. Экспериментальные исследования по выбору оптимального режима распространения будут включать в себя оптимизацию параметров лазерного излучения, условий фокусировки и подходящей смеси газов для получения необходиомого спектрального состава излучения на выходе из кюветы высокого давления, а также будут поддержаны численной моделью нелинейного распространения излучения среднего ИК диапазона в плотной газовой среде. Результаты численного моделирования будут предварительно верифицированы с использованием фемтосекундного и стретчированного до пикосекундной длительности излучения хром-форстеритовой лазерной системы (1,24 мкм, 50-100 пс, 4-6 мДж), входящей в состав предлагаемого перспективного ИК лазерного комплекса. Минимальная длительность лазерных импульсов среднего ИК диапазона с малым количеством оптических периодов поля будет достигнута за счёт применения дифракционного компрессора, позволяющего избавиться от дисперсии второго порядка. Идеология развития фемтосекундной лазерной системы опирается, на результаты успешно проведенных нами ранее исследований и закрепленных соответствующими публикациями. Выдвинутые в рамках настоящего проекта идеи, связанные с использованием процессов нелинейно-оптического преобразования в новых средах с синтезированной нелинейностью, позволят не только существенно расширить практические возможности генерации когерентного излучения в среднем ИК диапазоне, но и осуществить гибкое управление пространственно-временными и спектральными характеристиками излучения. Развиваемое нами гибридное решение является оригинальным, опирается на отечественную элементную базу, позволяет создать источник фемтосекундных ИК импульсов в широком спектральном диапазоне (2-6 мкм) и ориентировано, в конечном счете, на получение светового импульса, длительность которого будет близка к однопериодному световому колебанию в среднем ИК диапазоне. Разрабатываемый мультиспектральный источник когерентного излучения высокой пиковой мощностью будет полезен в фундаментальных и прикладных исследованиях, ориентированных на задачи взаимодействия лазерного излучения с веществом, будет служить в качестве более эффективного инструмента по сравнению со стандартным титан-сапфировым источником (0,8 мкм) при генерации гармоник высокого порядка, сверхяркого рентгеновского и терагерцевого излучений.