Госконтракт 02.740.11.0225 от 07 июля 2009 г., шифр заявки
advertisement
Госконтракт 02.740.11.0225 от 07 июля 2009 г. «Экстремальные световые поля и их приложения» шифр заявки «2009-1.1-122-052-032» Руководитель: член – корреспондент РАН Сергеев А.М. В рамках проекта «Экстремальные световые поля и их приложения» проводится широкий круг экспериментальных и теоретических исследований по получению и использованию световых полей с экстремальными характеристиками для научных и практических приложений. Такие исследования необходимы для освоению диапазона интенсивностей сильных полей до 1023–1025 Вт/см2, диапазона сверхкоротких длительностей от 100 до единиц аттосекунд, а также для создания новых источников мощного когерентного рентгеновского излучения, оптического излучения с предельно малым числом периодов светового поля и высокостабильного терагерцового излучения. Освоение новых рубежей сделает возможным в ближайшем будущем проведение фундаментальных научных исследований в совершенно новых областях науки, включая изучение нелинейных свойств вакуума в сверхсильных полях, моделирование в лаборатории процессов, протекающих в недрах звезд и планет, осуществление квантового контроля внутримолекулярных и внутриатомных процессов с субфемтосекундным разрешением. Вместе с планируемыми фундаментальными исследованиями в этих направлениях, в рамках проекта ведется разработка основ практических приложений экстремальных световых полей, таких как компактные источники ионов для адронной терапии, источники рентгеновского излучения для малодозной фазоконтрастной рентгеновской томографии, сверхбыстрая спектроскопия и оптический имиджинг биологических объектов, разработка систем безопасности на основе терагерцового видения. В ходе выполнения проекта получены следующие результаты: Этап 1. 1. На основе выполненных расчетов сформулированы предложения по модификации существующей субпетаваттной лазерной установки ИПФ РАН с целью получения электронов с энергиями уровня единиц ГэВ. 2. Продемонстрирована возможность существенного повышения эффективности генерации высоких гармоник лазерного излучения и аттосекундных всплесков при ионизации газа мощным ультракоротким лазерным импульсом за счет использования протяженной трассы взаимодействия. 3. Аналитически исследована временная динамика формирования структуры возбуждаемого ТГц поля в кристалле GaAs. Предложена несимметричная планарная сэндвич структура и исследована генерация ТГц излучения при распространении в ней интенсивного фемтосекундного лазерного импульса. 4. Предложена и развита концепция волновых солитонов фемтосекундных оптических полей с эллиптической поляризацией, содержащих малое число световых колебаний. Проведены исследования взаимодействия солитонов с циркулярной поляризацией, у которых вектора поля вращаются в противоположных направлениях. 5. Проведено рассмотрение основных механизмов дисперсии в измерительных сверхширокополосных волоконно-оптических системах. Разработаны принципы создания сверхширокополосных элементов оптической схемы - источника света и элементов интерферометра - мультиплексора, 3дБ-ответвителя и поляризационного управителя. Этап 2. 1. Разработан двумерный параллельный численный кинетический код для моделирования динамики плазмы, включающий программные модули физической модели, функций интерфейса и визуализации. Разработанный код протестирован и используется для численного исследования процессов взаимодействия с твердотельными мишенями лазерных импульсов с интенсивностями, соответствующими релятивистским энергиям электрона. Созданный ранее параллельный трехмерный код частиц в ячейках дополнен рядом программных модулей, расширяющих его применимость для численных исследований по тематике экстремальных световых полей. 2. Предсказан новый механизм ионизационной самокомпрессии мощного фемтосекундного лазерного импульса распространяющегося в диэлектрическом газонаполненном капилляре. Он обусловлен формированием нелинейного плазменного волновода, аномальная дисперсия которого обеспечивает группировку коротковолновых спектральных компонент появляющихся в процессе ионизации газа. Предлагаемая схема компрессии позволяет получать сверхкороткие импульсы длительностью несколько периодов поля с энергией десятки миллиджоулей. 3. Проведены предварительные экспериментальные исследования генерации когерентного излучения в диапазоне мягкого рентгена. Оптимизировано распределение интенсивности в лазерном пучке и получено согласование пучка с основной модой диэлектрического капилляра, в результате чего достигнуто высокое (60-65%) прохождение лазерного пучка через капилляр. Экспериментально апробирована система дифференциальной откачки капилляра и вакуумной камеры. 4. Экспериментально исследована эффективность генерации терагерцового излучения в кристалле GaAs толщиной 4.3 мм при конверсии излучения фемтосекундного волоконного лазера на длине волны 1.58 мкм. Продемонстрировано увеличение энергии ТГц излучения с уменьшением поперечного размера пучка накачки. Экспериментально показано, что схема генерации ТГц излучения с использованием кристалла GaAs в несколько раз более эффективна по сравнению с широко используемой схемой оптикотерагерцовой конверсии фемтосекундного излучения Ti:Sapphire лазера в кристалле ZnTe. Проведены предварительные эксперименты по генерации терагерцового излучения в сэндвич структуре с диэлектрической и металлической подложками: подготовлен экспериментальный стенд, исследовано прохождение накачки через сэндвич-структуру в линейном и сильно-нелинейном режимах. 5. Разработан и апробирован метод измерения дисперсионных характеристик волоконно-оптического интерферометра с целью их коррекции при сверхшироком спектральном диапазоне источника ИК излучения. Его реализация включает систему считывания полного действительного сигнала на выходе интерферометра на частоте доплеровского сдвига 1 МГц при линейной модуляции разности плеч интерферометра с высокостабильной скоростью и программу для обработки сигнала с целью получения амплитудного и фазового спектров аппаратной корреляционной функции при отражении пробной волны от зеркальной границы. Этап 3. 1. С помощью созданного на предыдущем этапе уникального численного кода исследован процесс облучения полой сферы диаметром десятки микрон лазерным импульсом с релятивистской интенсивностью. Показана возможность двухступенчатого ускорения протонов: на первом этапе происходит ускорение с внутренней поверхности сферы в известном режиме TNSA (по нормали к мишени в дебаевском слое), на втором этапе при вылете через отверстие в сфере сформировавшийся протонный пучок дополнительно ускоряется электрическими полями, образующимися около отверстия в результате нагрева мишени. Показана важность синхронизации процессов во времени для эффективного ускорения на втором этапе, что может быть достигнуто выбором размера сферы, интенсивности лазерного импульса на мишени или изменением формы мишени. Численно продемонстрирована возможность получения пучков протонов с энергией до 30 МэВ при использовании лазерного импульса с энергией всего 1 Дж. 2. Теоретически показано, что при ионизации газа мощным лазерным излучением в режиме быстрого подавления кулоновского барьера могут быть получены существенно более короткие и более интенсивные одиночные аттосекундные импульсы, чем в случае рекомбинационного механизма генерации. Результаты численного моделирования самосогласованной задачи о генерации и распространении излучения в протяженной газовой среде подтверждают предварительные выводы, сделанные на основе расчетов для одиночного атома. Таким образом, тормозной механизм генерации аттосекундных импульсов оказывается предпочтительным как в случае тонких газовых струй, так и в протяженных средах. 3. С целью обоснования предложенной нами новой концепции ионизационного компрессора лазерных импульсов с энергией единицы джоулей и оптимизации его параметров, проведено численное моделирование распространения интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в газонаполненном диэлектрическом капилляре. Показано, что в оптимальном режиме в капилляре диаметром 1200 мкм, заполненным гелием под давлением 0,125 Торр, можно сжать 60фс лазерный импульс с энергией 2 Дж вплоть до 6 фс на длине капилляра 3,8 метра. 4. Создана фемтосекундная полностью волоконная лазерная система со стабилизированной частототой повторения генерируемых импульсов. Стабилизация достигается изменением длины световодов волоконного резонатора с помощью пьезокерамической катушки, на которую намотано волокно. Управление напряжением, прикладываемым к пьезокерамической катушке для растяжения или сжатия волокна, производится по сигналу, который пропорционален разности между частотой эталонного кварцевого генератора и частотой повторения импульсов волоконного лазера. Измеренная в эксперименте нестабильность частоты повторения лазерных импульсов составила величину менее 10 Гц (чувствительность измерений была ограничена разрешением имеющегося спектроанализатора). 5. Проведено численное и аналитическое исследование развития пространственновременной (филаментационной) неустойчивости лазерного импульса в условиях возбуждения плазменной волны. Показано, что сначала, как и в среде с безинерционной кубичной нелинейностью, происходит филаментация излучения, затем филаменты притягиваются. Последующая эволюция слабо отличается от эволюции сглаженного волнового пучка в среде с инерцией нелинейного отклика. 6. Разработан метод коррекции влияния дисперсии в широкополосном волоконнооптическом интерферометре Майкельсона, основанный на использовании при цифровой обработке скорректированного спектра аппаратной корреляционной функции на частоте доплеровского сдвига. Метод апробирован на разработанном макете волоконнооптического интерферометра Майкельсона на длине волны 0.93 мкм с шириной оптического спектра источника излучения 150 нм. В результате в оптическом когерентном микроскопе реализовано спектрально обусловленное продольное пространственное разрешение 3 мкм. Контактное лицо – Корюкин Игорь Валерьевич e-mail:igor@appl.sci-nnov.ru
