Формирование сверхкоротких фемтосекундных импульсов в среднем инфракрасном (4-5 мкм) диапазоне на основе халькогенидов, легированных железом, для задач нелинейной оптики сред с пониженной размерностью

Предметом настоящего проекта является разработка теоретико-экспериментальных подходов для создания фемтосекундного лазерного источника среднего инфракрасного диапазона (4-5 мкм) на основе кристалла Fe:ZnSe с длительностью импульсов в несколько оптических циклов поля и изучение нелинейно-оптических свойств новых материалов с пониженной размерностью в среднем ИК диапазоне с его помощью. Проект продолжает исследования физических принципов формирования ультракоротких лазерных импульсов в резонаторе лазера среднего ИК диапазона, и в то же время включает в себя новую часть исследований, посвящённую методам увеличения эффективности нелинейно-оптических процессов в двумерных наноструктурах в среднем ИК диапазоне. Проведённые нашей научной группой ранее исследования стали основой для создания первого фемтосекундного генератора на основе Fe:ZnSe на центральной длине волны 4,4 мкм (415 мВт, 732 фс). Диапазон длин волн 4-5 мкм интересен как с точки зрения молекулярной спектроскопии, определения концентраций газов и молекул (например, CS6), так и для задач нелинейно оптики новых материалов. Дальнейшее развитие такого рода источников позволит создавать мощные и компактные лазеры в среднем ИК (в том числе на больших длинах волн на основе других халькогенидных кристаллах, например, Fe:CdTe) с высокой средней мощностью для решения актуальных междисциплинарных научных задач. Такие источники могут быть удобным «настольным» инструментом для исследования свойств новых материалов в перспективной и быстро развивающейся средней ИК области, а также послужить основой для компактных высокоэффективных терагерцевых излучателей, требующихся для развития скрининговых технологий онкологических заболеваний и структуроскопии нанокомпозитных материалов. На первом этапе проекта будут решены задачи, связанные с увеличением пиковой мощности излучения фемтосекундного генератора на Fe:ZnSe с помощью режима керровской синхронизации мод, а также будут исследованы свойства углеродных наноматериалов в качестве насыщающихся поглотителей, проведена оптимизация параметров активного элемента путём исследования лазерных свойств поликристаллических активных элементов. Экспериментальная работа будет сопровождаться численным моделированием формирования и распространения солитона в лазерном резонаторе на основе решения нелинейного уравнения Шрёдингера для оптимизации выходных параметров фемтосекундного генератора импульсов среднего ИК диапазона. Второй этап посвящён исследованию нелинейно-оптических свойств материалов с пониженной размерностью на примере углеродных нанотрубок, которые ведут себя как ENZ материалы в среднем ИК диапазоне. Оригинальность исследования заключается в изучении этих свойств в среднем ИК диапазоне, в то время как подавляющее число исследований ENZ материалов ведутся в видимой и ближней ИК области. Особое внимание будет уделено определению физических механизмов нелинейности таких материалов, остающихся не до конца ясными научному сообществу. Также будет изучена возможность управления дисперсионными характеристиками материалов путём изменения их структуры (денсификации и легирования хлоридом золота). Результаты проекта позволят заложить основу для использования углеродных нанотрубок в качестве компонентов интегральной оптики и нанофотоники и создания высокоэффективных ап-конвертеров излучения среднего ИК диапазона в видимый и ближний ИК диапазоны, попадающих в полосу поглощения кремниевой микроэлектроники.