Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева создали и исследовали характеристики высокоинтенсивного широкополосного источника электромагнитного излучения в диапазоне длин волн от 250 до 830 нм, работа которого основана на явлении филаментации ультракоротких импульсов ИК лазерного излучения. Такой источник света может быть полезен для различных задач спектроскопии фемтосекундного разрешения в оптике, плазмонике, биологии, а также для наноструктурирования поверхности материалов.

Нелинейная оптика как новый, самостоятельный раздел физической науки стал активно развиваться с появлением лазеров – они могут генерировать свет с настолько большой напряженностью электрического поля, что она становится сопоставима с напряженностью микроскопического поля в атомах.

В грубом приближении эта особенность и порождает многие удивительные явления нелинейной оптики. В том числе и филаментацию, когда энергия мощных лазерных импульсов самофокусируется – локализуется в светящиеся нити. Комментирует Андрей Ионин, заведующий лабораторией газовых лазеров ФИАН, где проводились эти исследования с использованием различных фемтосекундных лазерных систем .

«Фемтосекундные импульсы имеют очень короткую длительность. Поэтому у них даже при маленькой энергетике будет очень большая мощность, и они будут самофокусироваться в прозрачных средах. Такая нелинейная самофокусировка происходит еще до геометрического фокуса. Возникает волноводное распространение импульса и протягивается светящаяся нить – можно просто взять микроскоп и смотреть непосредственно, что происходит в воздухе. Ведь формируется сначала только один филамент, потом появляется «горячее» кольцо рефрагированного излучения с большой плотностью электромагнитного поля, ореол. В результате взаимодействия в такой сложной структуре поля, возникает целый ряд вторичных филаментов.»

Рис. 1. Слева – ИК-УФ титан-сапфировая фемтосекундная лазерная система, справа – мощная ИК фемтосекундная волоконная лазерная система.

Особенно сложным процесс филаментации становится в условиях жесткой фокусировки с многократным превышением критической мощности излучения, необходимой для образования первой светящейся нити. В этом случае начинается множественная филаментация, когда филаменты, каждый из которых излучает в широком спектральном диапазоне, хаотично образуются как в продольном, так и поперечном направлении.

Этот процесс во многом определяется случайными флуктуациями электрического поля лазерного излучения и оптических характеристик среды, а потому до сих пор остаётся принципиально неуправляемым.

«Мы установили, что характеристики больших филаментов легко просчитать с помощью численных методов. А вот множественные филаменты жесткой фокусировки считать трудно – нужно использовать очень большие числовые сетки, огромный объем вычислений. Поэтому теоретических и модельных работ по этой теме было очень мало. А в ходе проведенных экспериментов мы показали, что диаметр таких филаментов может достигать нескольких микрон, а длина зависит в основном от мощности излучения» – говорит Леонид Селезнев, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров ФИАН.

Рис. 2. Проекция на экране пятна излучения суперконтинуума, получаемого в воздухе при множественной филаментации.

В экспериментах учёных использовались излучение фемтосекундного титан-сапфирового лазера, мощность которого варьировалась от одного до десятков ГВт (достигалось многократное превышение критической мощности для самофокусировки излучения).

В результате, наблюдалась множественная филаментация с управляемыми характеристиками – диаметром и протяженностью филаментов. Кроме того, так учёным удалось получить широкополосное излучение (суперконтинуум), являющееся ярким источником белого света фемтосекундной длительности (рисунки 2 и 3).

«В филаментах очень интенсивно протекают нелинейные процессы и в том числе значительное уширение спектра. В результате, появляется очень широкий спектр излучения, который простирается и на инфакрасный диапазон. Такое широкополосное излучение называется суперконтинуум. Получается, что изначальное излучение, которое находится где-то на границе красного и инфакрасного, преобразуется в излучение самых разных частот – фиолетовое, жёлтое, зелёное. И реально это выглядит, кстати, так ярко, что даже смотреть немного больно» – Леонид Селезнев.

Рис. 3. (а) Конус излучения суперконтинуума, выходящего из фокуса внутри водяной ячейки. (б-г) Проекции на экране пятна излучения, проходящего через водяную ячейку, в условиях начала филаментации, генерации нескольких филаментов и множественной филаментации, показывающие угловое и спектральное уширение этого излучения (одинаковый масштаб).

Учёные провели аналогичные опыты в твердых телах и жидкостях, плотности которых в тысячи раз больше плотностей воздушной среды, а потому плотность лазерной плазмы в них будет больше, а критические мощности, наоборот, меньше, позволяя более эффективно генерировать излучение суперконтинуума (рисунок 3). В результате, были более подробно проанализированы особенности множественной филаментации в прозрачных средах и возможности управления ею для создания спектроскопической техники сверхвысокого временно разрешения. Комментирует Сергей Кудряшов, старший научный сотрудник лаборатории газовых лазеров ФИАН.

«Реализованный высокоинтенсивный широкополосный источник излучения фемтосекундной длительности позволяет как зондировать (что само по себе известно, хотя и не совсем обычно), так и возбуждать на временных масштабах порядка 100 фемтосекунд динамические электронные и ядерные процессы в отдельных молекулах и в конденсированной фазе. В частности, с использованием излучения суперконтинуума на поверхностях большинства материалов впервые экспериментально обнаружены признаки высокогоэффективного возбуждения в течение импульса суперконтинуума поверхностных плазмонов с длиной волны около 200 нм и напряженностью поля, близкой к внутриатомной. Этот эффект позволил в режиме интерференции встречных поверхностных плазмонов осуществить наноструктурирование поверхности материала на масштабах 10–100 нм.

Поскольку эта разработанная нами перспективная простая, дешевая и практически универсальная технология наноструктурирования поверхности материалов может представлять практический интерес, подана заявка на патент РФ».