Нелинейная фемтосекундная оптика атмосферы

При распространении мощного (в атмосферном воздухе более 10 ГВт) излучения оно не расходится вследствие дифракции, а локализуется вследствие самофокусировки в одну или несколько так называемых горячих точек. С расстоянием интенсивность горячих точек нарастает, пока не достигнет порога нелинейной (нарушающей эйнштейновские законы фотоэффекта) ионизации среды. Электроны, освобожденные в актах ионизации, останавливают рост интенсивности, стабилизируя ее на уровне около 100 ТВт/см2 = 1014 Вт/см2 (для воздуха). Формируется филамент. Если мощность импульса превышает около 100 ГВт, развивается множество филаментов (множественная филаментация). Филаментация в газах сопровождается множеством эффектов — генерацией широкополосного суперконтинуума в оптическом и терагерцовом диапазонах, формированием проводящего плазменного канала, его излучением, в т.ч. вынужденным, и даже генерацией ударных акустических волн.

Большинство экспериментов по филаментации выполнены с использованием коммерчески доступных фемтосекундных лазерных систем на титан-сапфире, генерирующих излучение с длиной волны около 800 нм (граница между видимой и инфракрасной частями спектра). Для таких импульсов физическая картина филаментации проработана и в основных моментах ясна. Однако для других центральных длин — среднего и дальнего инфракрасного, ультрафиолетового — она только строится. В настоящее время нами ведутся численные и теоретические исследования следующих явлений и проблем:
— филаментация и генерация суперконтинуума на протяженных трассах,
— слияние филаментов и суперфиламентация,
— филаментация среднего инфракрасного лазерного излучения,
— филаментация ультрафиолетового лазерного излучения.
Спектры излучения среднего инфракрасного диапазона после окончания филаментации
Н.А. Панов (слева) и Д.Е. Шипило (справа) на эксперименте по инфракрасной филаментации в Институте спектроскопии РАН (Москва, Троицк)
Упорядоченное множество ультрафиолетовых филаментов. Эксперимент (справа) выполнен в Физическом институте РАН, группа проф. А.А. Ионина и д.ф.-м.н. Л.В. Селезнева​
На эксперименте в Физическом институте РАН (Москва), слева направо: Л.В. Селезнев, Д.В. Мокроусова (ФИАН), Е.В. Митина, Н.А. Панов, И.А. Николаева (МГУ), A. Couairon (Ecole Polytechnique, Франция)
На эксперименте в ФИАН, слева направо Д.В. Мокроусова, Л.В. Селезнев (ФИАН), Д.Е. Шипило, О.Г. Косарева (МГУ), Г.Э. Ризаев (ФИАН), Е.В. Митина (МГУ), A. Houard (Ecole Polytechnique, Франция)
Публикации:
  1. Kosareva O., Panov N., Shipilo D., Mokrousova D., Nikolaeva I., Mitina E., Koribut A., Reutov A., Rizaev G., Couairon A., Houard A., Skryabin D., Saletsky A., Savel’ev A., Seleznev L., Ionin A., Chin S.L. “Postfilament supercontinuum on 100 m path in air”, Optics Letters 46, 1125-1128 (2021).
  2. Panov N.A., Shipilo D.E., Nikolaeva I.A., Kompanets V.O., Chekalin S.V., Kosareva O.G. “Continuous transition from X- to O-shaped angle-wavelength spectra of a femtosecond filament in a gas mixture”, Physical Review A 103, L021501 (2021).
  3. Panov N.A., Shipilo D.E., Saletsky A.M., Liu W., Polynkin P.G., Kosareva O.G. “Nonlinear transparency window for ultraintense femtosecond laser pulses in the atmosphere”, Physical Review A 100, 023832 (2019).
  4. Shipilo D.E., Panov N.A., Sunchugasheva E.S., Mokrousova D.V., Shutov A.V., Zvorykin V.D., Ustinovskii N.N., Seleznev L.V., Savel’ev A.B., Kosareva O.G., Chin S.L., Ionin A.A. “Fifteen meter long uninterrupted filaments from sub-terawatt ultraviolet pulse in air”, Optics Express 25, 25386-25391 (2017).
  5. Panov N.A., Shipilo D.E., Andreeva V.A., Kosareva O.G., Saletsky A.M., Xu H., Polynkin P. “Supercontinuum of a 3.9-μm filament in air: Formation of a two-octave plateau and nonlinearly enhanced linear absorption”, Physical Review A 94, 041801(R) (2016).
  6. Panov N.A., Makarov V.A., Fedorov V.Yu., Kosareva O.G. “Filamentation of arbitrary polarized femtosecond laser pulses in case of high-order Kerr effect”, Optics Letters 38, 537-539 (2013).