Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Теоретически исследована возможность увеличения спектральной яркости красного крыла суперконтинуума в средах с рамановской нелинейностью c накачкой хром-форстеритовым лазером. Показано, что при тщательном подборе среды возможно увеличение спектрального диапазона генерируемого суперконтинуума до 2,5 мкм, что делает возможным реализацию схемы прямого параметрического усиления в диапазоне длин волн 2 – 2,5 мкм. (https://knepublishing.com/index.php/KnE-Energy/article/view/2032/4598) 2. Впервые теоретически и экспериментально продемонстрирована возможность увеличения спектральной яркости суперконтинуума за счет использования расходящегося волнового фронта излучения накачки. Показано, что наиболее эффективно генерация происходит, если фокус находится на расстоянии 100-400 мкм от границы образца, что связано с уменьшением электронной концентрации и увеличением длины филамента. (https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.97.033801; https://www.gazeta.ru/science/news/2018/03/30/n_11352980.shtml) 3. Исследован специфический режим параметрического усиления в кристалле BBO I типа взаимодействия с накачкой второй гармоникой излучения хром-форстеритового лазера (620 нм), реализуемый вблизи аномалий перестроечных кривых. Показано, что благодаря согласованию групповых скоростей взаимодействующих импульсов, в таком режиме возможна генерация излучения с шириной спектра до 450 нм на длине волны 2,2 мкм, что соответствует длительности импульса около 34 фс (2,5 цикла поля). Энергия в импульсе составляет 7 – 11 мкДж при перестройке в диапазоне длин волн 1,6 – 2,5 мкм. (http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=jetpl&paperid=5512&option_lang=rus) 4. Создан двухкаскадный параметрический усилитель на основе относительно нового нелинейно-оптического кристалла LiGaS2 (LGS) с накачкой излучением хром-форстеритового лазера. Получена перестройка в диапазоне длин волн 1,9 – 4 мкм с выходной энергией, превышающей 20 мкДж во всем диапазоне длин волн. Максимальная выходная энергия получена в окрестности вырождения (2,5 мкм) и составляет 210 мкДж (две волны), что соответствует эффективности преобразования 14%. Длительность излучения на длине волны 2,67 мкм составляет 156 +/- 5 фс. 5. Установлено, что третья гармоника, генерируемая при острой фокусировке фемтосекундного лазерного импульса ближнего ИК-диапазона (1.24 мкм), служит индикатором энерговклада в объем прозрачного диэлектрика и может быть использована в качестве системы обратной связи в процессе микроструктурирования вещества. Сигнал третьей гармоники чувствителен к изменению как размера лазерно-индуцированной микроплазмы, так и концентрации свободных электронов, что позволяет детектировать микроплазму с субмикронными продольными размерами. (http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=jetpl&paperid=5535&option_lang=rus) 6. Теоретически и экспериментально исследована зависимость порога плазмообразования и создания модификации от длины волны лазерного излучения в одноимпульсном режиме воздействия. Показано, что при переходе от излучения видимого диапазона (620 нм) к излучению ближнего ИК диапазона (1240 нм) порог плазмообразования возрастает, что связано с увеличением фотонности процесса и уменьшением сечения многофотонной ионизации. В области длин волн 1, 6 – 2 мкм обнаружено, что порог плазмообразования практически не зависит от длины волны, что связано с доминирующей ролью туннельной ионизации в образовании затравочных электронов, сечение которой не зависит от длины волны. Теоретически и экспериментально выявлено, что лавинная ионизация играет существенную роль лишь для излучения видимого диапазона. С увеличением длины волны вклад лавины в процесс генерации микроплазмы существенно снижается. 7. Впервые для определения объёма плазмообразования применена методика генерации несинхронной третьей гармоники. На основе разработанного алгоритма восстановления определены продольные и поперечные размеры микроплазмы для разных фокусировок и длин волн возбуждающего излучения. Показано, что область плазмообразования совпадает с размерами перетяжки только при энергии порядка 2 – 3 пороговых энергий плазмообразования. 8. Экспериментально определены зависимости объёмного энерговклада от падающей энергии и длины волны воздействующего излучения при фиксированных параметрах фокусировки. Обнаружено, что максимальный энерговклад достигается для коротковолнового излучения (620 нм), что связано с лучше пространственной локализацией и более плотной генерируемой плазмой. При увеличении падающей энергии энерговклад выходит на насыщение, а затем медленно спадает, оставаясь при этом выше порога образования модификации (около 2 кДж/см^3 для плавленного кварца). 9. Впервые выполнена двумерная оптоакустическая томография фемтосекундного филамента в воде. Использование широкополосного (~100 МГц) пьезоэлектрического преобразователя и метода восстановления обратных проекций позволило получить двумерный профиль филамента. Полученное распределение давления, инициируемое фемтосекундным филаментом, позволило определить поперечные размеры центральной части и энергетического резервуара филамента с разрешением лучше чем 10 мкм. Показано, что оптоакустическая томография является прямым методом измерения объёмного энерговклада при распределенном воздействии ультракоротких лазерных импульсов в среде, что не может быть достигнуто с использованием существующих других экспериментальных техник. При относительной простоте и высокой точности, оптоакустическая томография может рассматриваться как прорывной инструмент для исследования явления филаментации. 10. Предложен и апробирован метод определения энерговклада в среду и распределения энергии в механические каналы на жёсткой границе жидкости с помощью оптических и акустических измерений. Исследованы процессы преобразования энергии наносекундных лазерных импульсов среднего ИК диапазона в механическую энергию при реализации высокого энерговклада на жёсткую границу воды (8 кДж/см^3). Изучена динамика образования ударных волн и кавитационных пузырей при различной плотности энергии импульсов (0,75-2,0 Дж/см^2). Определено, что при плотности энергии 2,0 Дж/см^2 конверсия в энергию ударной волны достигает 67%, а в кавитационные пузыри – 5%. Рассчитанное давление вблизи границы раздела сред составляет 0,9 ГПа. Такая техника может стать удобным инструментом оптимизации параметров лазерных импульсов в реальном времени в задачах поверхностного и объёмного микроструктурирования.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1. Исследована возможность использования двуцветной пары фемтосекундных лазерных импульсов для управления объемным энерговкладом при острой фокусировке (NA~0.5) фемтосекундного излучения в объём конденсированной среды. Определены оптимальные параметры воздействующих импульсов для достижения максимального энерговклада. Впервые показано, что максимальное значение поглощенной энергии достигается при энергии затравочного и греющего импульсов близкой к пороговой энергии плазмообразования по одноимпульсному воздействию. Для затравочного импульса длительностью 140 фс (длина волны 620 нм) и греющего импульса длительностью порядка 200 фс (1240 нм или 1760 нм) определена оптимальная задержка, составляющая 250 фс. Создание фемтосекундного параметрического усилителя (https://ieeexplore.ieee.org/document/8435684) с инжекцией широкополосным суперконтинуумом (https://doi.org/10.1088/1612-202X/aaca68, https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2018.JW2A.119) позволило впервые показать, что греющий импульс с большей длиной волны позволяет достичь большего энерговклада. Однако максимальное значение энерговклада при тандемном воздействии достигается для греющего импульса с длиной волны 1240 нм (12 кДж/см^3), так как для этой длины волны в плавленном кварце наблюдается наибольший порог плазмообразования по одноимпульсному воздействию (https://doi.org/10.1117/12.2520950) и, следовательно, большая энергия может быть вложена в образец без размытия области воздействия. Показано, что энерговклад может быть также дополнительно увеличен за счет использования эллиптически поляризованного греющего импульса, так как в таком случае квазисвободный (ионизовавшийся) электрон может приобрести большую кинетическую энергию. 2. Разработан теоретико-экспериментальный подход, позволяющий определить энергию, переданную в механические пост-эффекты при острой фокусировке фемтосекундного излучения в объем вещества. С помощью метода теневой фотографии, показано, что в случае фокусировки излучения с энергией 40 мкДж линзой с числовой апертурой NA=0.4 в объем воды достигается 14% передача энергии в ударную волну. Разработана методика определения энергии ударной волны, исходя из связи между амплитудой акустического сигнала в дальней зоне и скорости волны в ближней зоне. Продемонстрировано, что в случае использования линзы с NA = 0,2 амплитуда генерируемой в среде ударной волны примерно в 4 раза выше, чем в случае, когда ударная волна генерировалась при фокусировке лазерного импульса линзой с NA = 0,1 (https://ieeexplore.ieee.org/document/8435247, https://doi.org/10.1088/1742-6596/1141/1/012060). 3. Разработана универсальная методика он-лайн диагностики процесса микроструктурирования на основе процесса несинхронной генерации третьей гармоники в остросфокусированных лазерных пучках, позволяющая определить размеры как микроплазмы в объеме диэлектрика (https://doi.org/10.1063/1.5080660) , так и дефектов и микромодификаций, образовавшихся после лазерного воздействия. В последнем случае, исходя из численного моделирования выявлено, что если размер перетяжки сканирующего пучка меньше диаметра микромодификации, то ее профиль восстанавливается абсолютно точно и без увеличения. В случае если диаметр перетяжки составляет 1-3 диаметра микромодификации, в профиле третьей гармоники все еще отчетливо различима морфология модификации («ядро» и «кольцо»), а видимые размеры не сильно превышают реальные размеры модификации. Наконец, используя математическую обработку, морфология может быть определена при превышении перетяжкой размеров модификации на порядок (в 7 – 9 раз). В случае использования линзы с числовой апертурой NA=0.96 разрешение данной методики составляет 300 нм. 4. При взаимодействии сфокусированного фемтосекундного ИК лазерного излучения (λ=1.24 мкм, τ=230 фс) с медной мишенью в режиме импульсно-периодического воздействия было установлено, что при «мягкой» фокусировкой f=30см, (диаметр пятна в фокусе 40 мкм) минимальная интенсивность, при которой регистрируется рентгеновское излучение составляет 10^14 Вт/см^2. При интенсивности на поверхности мишени 7*10^13 Вт/см^2 сигнал наблюдался только из микроканала, образованного в мишени в процессе абляции (https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL16674/meta). 5. Была разработана методика оценки интенсивности лазерного излучения исходя из температуры горячих электронов, оцениваемая из тормозного спектра. Было установлено, что связь между температурой горячих электронов и интенсивностью лазерного излучения в режиме резонансного поглощения энергии определяется формулой Thot~ 5,2±0,3(Iλ^2)^(1/3) (https://iopscience.iop.org/article/10.1070/QEL16674/meta). 6. При взаимодействии сфокусированного фемтосекундного ИК лазерного излучения (λ=1.24 мкм, τ=230 фс) с медной мишенью в режиме импульсно-периодического воздействия было установлено, что фокусировка f=6см является оптимальной с точки зрения максимизации эффективности конверсии при минимальной лазерной энергии необходимой для регистрации РИ в первом импульсе при фокусировке на поверхность мишени (70±10 мкДж). Эта величина соответствовала интенсивности (2-2,5)*10^14 Вт/см^2. То есть при более острой фокусировке минимальная лазерная интенсивность выростает примерно в 2 раза. Число характеристических фотонов из медной мишени за импульс составило 10^3 , а эффективность конверсии – 10^-9. 7. Получено, что при воздействии излучения параметрического генератора света с длиной волны λ =1,66 нм, при сопоставимых значениях энергии (~80 мкДж) и интенсивности (I~2,5*10^14 Вт/см^2) выход рентгеновского излучения при фокусировке излучения ПГС рентгеновское излучение регистрируется только из микроканала, образованного 50 импульсами. Таким образом, при сопоставимых лазерных параметрах (интенсивность и площадь плазменного источника РИ) минимальная интенсивность, при которой регистрируется рентгеновский сигнал, оказалась выше в случае использования лазерного изучения с длиной волны 1,24 мкм, что требует дальнейших исследований. 8. При взаимодействии сфокусированного (F=5см) фемтосекундного ИК лазерного излучения (λ=1.66 мкм, τ=170 фс, Е=80 мкДж, I~10^13 Вт/см^2) в режиме импульсно-периодического воздействия на мишень (Cu, Al, Si) зарегистрирован эмиссионный спектр линий материала мишени и сигнал второй гармоники из лазерно-индуцированной приповерхностной микроплазмы как при воздействии на поверхность мишени, так и при формировании микроканала. 9. Установлено, что эмиссионное излучение и сигнал второй гармоники фокусируется в разных пространственных положениях, что позволяет, изменяя положение волоконного спектрометра (входная апертура 200 мкм) осуществлять селективную регистрацию эмиссионного излучения и излучения второй гармоники. Таким образом, сигнал второй гармоники вне эмиссии плазмы мишени мишени может быть использован в качестве сигнала обратной связи для контроля микрообработки мишени.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Впервые теоретически и экспериментально исследована зависимость порога плазмообразования и порога пробоя в широком диапазоне длин волн от видимого (620 нм) до среднего ИК (5 мкм) в диэлектриках. Обнаружено наличие максимума в окрестности 1,24 мкм. Значительное снижение порога в среднем ИК связано с эффективным нагревом электронной подсистемы за счет электрон-фотон-фононных взаимодействий, в то время как прямое поглощение фотонов лишь незначительно снижает порог. На длинах волн, превышающих 4 мкм, обнаружен рост порога, связанный с переходом в режим «сильного поля». 2. Впервые выявлено влияние примесных электронов на электронную динамику в диэлектриках при остросфокусированном лазерном воздействии. Показано, что в среднем ИК диапазоне, где развитие электронной лавины критически зависит от наличия затравочных электронов, примеси способны снижать порог плазмообразования, а также влиять на точное положения минимума в зависимости порога от длины волны. 3. Впервые разработан комплексный подход, сочетающий теневую фотографию и оптоакустической томографию. Он позволяет восстановить профиль удельного энерговклада в среде с поперечным разрешением порядка 10 мкм и продольным - 1.5 мкм. С его помощью проведена оценка энергии лазерно-индуцированной ударной волны, генерируемой при острой фокусировке фемтосекундного лазерного излучения в воду. Конверсия в энергию ударной волны достигает 25%, а амплитуда регистрируемой акустической волны характеризует величину энерговклада (до 20кДж/см^3 с линзой NA=0.5). Лазерно-индуцированные ударные волны могут использоваться для создания хорошо контролируемых фазовых переходов и модификаций на границе конденсированных сред (модификация происходит при скорости ударной волны превышающей 3 км/с – давления порядка 500МПа) [spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.2520987; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6501/ab808b] 4. Впервые с помощью методики третьей гармоники проведено трехмерное сканирование фотополимерных материалов с помощью импульсов ближнего ИК диапазона. Показано, что для этих целей возможно использовать излучение хром-форстеритового и иттербиевого генераторов фемтосекундных импульсов (порог по энергии в импульсе ~1нДж). Показано, что с увеличением длины волны размер вокселя падает за счет увеличения степени фотонности, более быстрый рост ограничивается увеличением размера перетяжки при использовании более длинноволновых источников излучения фемтосекундной длительности. 5. Впервые показано, что частота повторения лазерных импульсов определяет возможность аккумулировать энергию выделенную в объеме среды от импульса к импульсу и реализовывать термическую активацию процесса полимеризации, одновременно ограничивая время медленной диффузии химических компонент системы между импульсами что приводит к уменьшению эффективности генерации радикалов от импульса к импульсу в области активного расхода фото-инициатора и мономера и, как следствие, необходимости большего количества импульсов для достижения насыщения роста плотности полимера, то есть увеличения времени полимеризации.