Генерация лазерной плазмы и нелинейно-оптическое преобразование частоты высокоинтенсивного фемтосекундного излучения ИК диапазона в конденсированных и плотных газовых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат наук Мигаль Екатерина Александровна

• Мигаль Екатерина Александровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Мигаль Екатерина Александровна

Оглавление

Введение

Глава 1. Генерация перестраиваемого по длине волны лазерного изучения фемтосекундной длительности в ближнем и среднем ИК диапазоне при параметрическом усилении затравочного излучения

суперконтинуума с накачкой хром-форестеритовым лазером

1.1 Фемтосекундные лазерные источники в среднем ИК диапазоне

1.2 Лазер накачки: краткое описание хром-форстеритовой лазерной системы

1.3 Используемые в работе экспериментальные и численные методы

1.3.1 Экспериментальные методы

1.3.2 Численная модель

1.4 Генерация перестраиваемого по длине волны фемтосекундного лазерного изучения в ближнем и среднем ИК диапазоне

1.4.1 Генерация затравочного излучения

1.4.2 Исследование процесса параметрического усиления в выбранных кристаллах

1.4.3 Влияние длительности импульса накачки

Выводы по результатам главы

Глава 2. Взаимодействие высокоинтенсивного

остросфокусированного лазерного излучения ближнего и среднего

ИК диапазона с объёмом прозрачного диэлектрика

2.1 Обзор литературы

2.1.1 Сведения из теории

2.1.2 Имеющиеся экспериментальные данные

2.2 Экспериментальные и численные методы

2.2.1 Экспериментальная методы

2.2.2 Описание численных методов

2.3 Результаты и их обсуждение 75 Выводы по результатам главы

Глава 3. Повышение эффективности преобразования высокоинтенсивного лазерного излучения ближнего и среднего ИК диапазона в область видимого и УФ диапазона в плотных газовых средах

3.1 Введение

3.2 Теоретическое описание

3.3 Описание экспериментальной установки

3.4 Генерация гармоник излучением ближнего ИК диапазона

3.5 Использование смесей газов для управления фазовыми соотношениями

Выводы по результатам главы

Заключение

Благодарности

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генерация лазерной плазмы и нелинейно-оптическое преобразование частоты высокоинтенсивного фемтосекундного излучения ИК диапазона в конденсированных и плотных газовых средах»

Актуальность темы

Работа посвящена изучению нелинейно-оптических эффектов, происходящих при взаимодействии высокоинтенсивного (1012 - 1014 Вт/см2) фемтосекундного лазерного излучения ближнего и среднего инфракрасного (ИК) диапазона (1,24 - 5 мкм) с конденсированными и газовыми средами: параметрическим процессами в нелинейно-оптических кристаллах, процессам ионизации и формирования плазмы в диэлектриках и генерации оптических гармоник в газовых средах и их смесях. Работа затрагивает важный вопрос эффективной генерации излучения в среднем ИК диапазоне, который особенно остро обсуждается научным сообществом в последнее время. Создание лазерных источников в этом диапазоне стимулируется многочисленными применениями в научных и практических задачах, связанными как с особенностями отклика вещества в указанном диапазоне спектра, так и свойствами самого лазерного излучения.

В среднем ИК диапазоне прозрачны не только многие диэлектрические материалы, но также и полупроводниковые среды, благодаря их узкой запрещенной зоне. В связи с этим источники ИК излучения открывают возможности для создания микро- и наноструктур с управляемыми параметрами не только на поверхности, но и в объеме таких важных материалов, как кремний, открывая перспективы для фотоники полупроводниковых сред и современной оптоэлектроники. В то же время механизмы взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом изменяются при увеличении длины волны. Переход в средний ИК диапазон для относительно длинных импульсов (порядка 200 фс) характеризуется снижением сечения полевой ионизации и увеличением роли лавинной ионизации, то есть процессов, лежащих в основе фемтосекундной микрообработки прозрачных материалов. В связи с этим для выбора параметров воздействия и достижения необходимой морфологии лазерно-индуцированных

объёмных модификаций требуется детальное понимание процессов взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом.

Область среднего ИК диапазона характеризуется многочисленными молекулярными колебаниями, наличие которых способно значительно влиять на линейные и нелинейные свойства вещества. Непосредственное влияние области резонансов на протекание нелинейно-оптических процессов остается не до конца изученным, хотя многочисленные полосы поглощения различных соединений широко применяются для идентификации вещества по линейчатым спектрам поглощения.

Важной особенностью взаимодействия ИК излучения с веществом является квадратичное изменение многих характерных величин с длиной волны. Так критическая мощность самофокусировки для излучения на длине волны 4,4 мкм более чем на порядок превышает аналогичное значение для длины волны 1,24 мкм, что приводит к существенно большему энерговкладу в среду. Критическая концентрация электронов снижается с длиной волны, что ставит вопрос о применимости критической концентрации, как критерия достижения порога образования микромодификации в объеме материала для разных длин волн лазерного воздействия. Важной особенностью является значительное увеличение пондеромоторной энергии электрона в поле ИК излучения. В связи с этим в процессе генерации гармоник высокого порядка становится возможным достижение области вакуумного ультрафиолетового диапазона, находящегося в водяном окне прозрачности, что особенно важно для спектроскопии и структурной визуализации различных биологических систем, в первую очередь, белков.

Значительное изменение как свойств среды, так и характера взаимодействия

лазерного излучения с веществом приводит к особенностям протекания нелинейно-

оптических процессов, появлению новых эффектов, ранее не наблюдавшихся в

видимом и ближнем ИК диапазонах и сказывается на эффективности

преобразования в другие диапазоны длин волн. Изменение многочисленных

параметров взаимодействия лазерного излучения с веществом требует детальных

исследований, основанных в первую очередь на новых эффективных лазерных

5

источниках среднего ИК диапазона. Несмотря на значительное число работ, в данной области остается ряд открытых вопросов, что делает данную тематику не полностью разработанной, а проводимые исследования актуальными и востребованными.

Целью настоящей работы являлось исследование процессов плазмообразования и нелинейно-оптического преобразования частоты высокоинтенсивного излучения ИК диапазона в конденсированных и газовых средах. В работе решались следующие задачи.

1. Создание фемтосекундного источника излучения ближнего и среднего ИК диапазона с управляемыми параметрами: перестройкой в диапазоне длин волн 1,6 - 5 мкм, длительностью импульса 100 - 200 фс, выходной энергией порядка 10 - 20 мкДж и возможностью усиления до миллиджоульного уровня на фиксированной длине волны.

2. Исследование процессов ионизации при воздействии остросфокусированного (ЫА > 0,2) высокоинтенсивного (до 1013 Вт/см2) фемтосекундного излучения в объем прозрачных диэлектриков в диапазоне длин волн от видимого (0,62 мкм) до среднего ИК (5 мкм) диапазона.

3. Исследование возможностей повышения эффективности преобразования высокоинтенсивного (1013 - 1014 Вт/см2) лазерного излучения ближнего и среднего ИК диапазона в видимую и УФ область спектра в плотных газовых средах в процессе генерации оптических гармоник.

Научная новизна

1. Впервые экспериментально реализован фемтосекундный оптический параметрический усилитель в ближнем и среднем ИК диапазонах в условиях аномалий перестроечных кривых, сформированных в кристаллах BBO и KTA при накачке излучением хром-форстеритового лазера. Вблизи указанных аномалий возможна эффективная генерация широкополосного излучения в окрестности 2,3 мкм и 3,8 мкм.

2. Впервые продемонстрирована возможность управления спектральной

яркостью суперконтинуума в диапазоне 1,6 - 2 мкм сгенерированного в процессе

6

филаментации фемтосекундного излучения хром-форстеритового лазера в кристалле Nd:YAG в условиях формирования нескольких (2-3) нелинейных фокусов за счет изменения чирпирования импульса накачки.

3. Разработан и реализован фемтосекундный параметрический усилитель среднего ИК диапазона с накачкой хром-форстеритовым лазером на основе трех кристаллов AGS длиной 2 мм с рекордной эффективностью преобразования 10%. Диапазон перестройки составил 1,6 - 2 мкм и 3,5 - 5,5 мкм с энергией более 20 мкДж во всем диапазоне длин волн и длительностью импульса порядка длительности импульса накачки.

4. Впервые исследована зависимость порога плазмообразования в широком диапазоне длин волн от видимого (620 нм) до среднего ИК (5 мкм) при острой фокусировке (NA ~ 0,5) фемтосекундного излучения в диэлектрики (SiO2, MgF2). Показано, что порог плазмообразования имеет немонотонную зависимость, что связано с изменением механизмов ионизации.

5. Получена генерация третьей и пятой гармоник хром-форстеритового излучения в ксеноне с эффективностью 10-3 и 4,4х10-4 соответственно в режиме сверхсильного поля (1014 - 1015 Вт/см2) при острой фокусировке (NA~0,1) в ксенон.

6. Впервые исследовано влияние молекулярных резонансов на режимы преобразования высокоинтенсивного (1013 Вт/см2) ИК излучения в газовых средах в излучение гармоник. Показано, что наличие уширенных перекрывающихся резонансных линий приводит к существенному изменению профиля показателя преломления, что позволяет добиться условий фазового согласования на всей длине взаимодействия.

Научная и практическая значимость

Разработанный оптический параметрический усилитель ближнего и среднего

ИК диапазона с накачкой излучением хром-форстеритовым лазером является

источником перестраиваемых высокоинтенсивных лазерных импульсов в

перспективном диапазоне длин волн 1,6 - 5 мкм. Фемтосекундная длительность

импульсов в сочетании с микроджоульным уровнем энергии позволяет

использовать его как независимый лазерный источник для решения задач

7

нелинейной-оптики и исследования физики взаимодействия ИК излучения с веществом.

Определение механизмов генерации микроплазмы в различных спектральных диапазонах (в том числе в среднем ИК) в диэлектриках важно для создания лазерных компонент с высокой лучевой прочностью и стойкостью с заданными характеристиками отражения/пропускания, групповой задержки и т.д. Понимание процессов нагрева электронов в зоне проводимости необходимо для оптимизации объемного энерговклада в среду. Развитие методик повышения энергоэффективности объемного микроструктурирования, например на основе двуцветного воздействия, неразрывно связано со знанием механизмов ионизации и нагрева в среднем ИК диапазоне.

Дальнейшее применение резонансных и синтезированных сред как метода достижения условий фазового синхронизма особенно перспективно для излучения высоких гармоник, эффективность генерации которых существенно снижается при использовании длинноволновых источников накачки. Применение этого метода для лазерных источников, длина волны которых расположена вдали от молекулярных резонансов газов, может быть основано на использовании синтезированных сред, состоящих из коллоидного раствора наночастиц. Излучение гармоник низкого порядка может быть также использовано для диагностики режима взаимодействия лазерного излучения с веществом и создания схем много волнового смешения для повышения эффективности генерации гармоник высокого порядка.

Методология диссертационного исследования

Основная часть работы посвящена экспериментальным исследованиям,

которые были подкреплены аналитическими расчетами и численным

моделированием. Генерация перестраиваемого фемтосекундного излучения

ближнего и среднего ИК диапазона (глава 1) происходила в процессе прямого

параметрического усиления. Для диагностики спектрально-временных свойств

генерируемого излучения использовалась методика оптического стробирования с

разрешением по частоте. Для численного моделирования процесса

8

параметрического усиления использовалась система уравнений для медленно меняющихся амплитуд, решение которой производилось методом прогонки. Для определения энергии, соответствующей порогу плазмообразования (глава 2) использовалась методика нелинейного пропускания и генерации несинхронной третьей гармоники. Размер пучка для определения порога измерялся с помощью метода переноса изображения. Для анализа результатов экспериментов использовалась численная модель на основе одного скоростного уравнения для эволюции электронной плотности. В главе 3 измерялась эффективность генерации оптических гармоник в зависимости от давления в кювете. Расчеты были выполнены на основе аналитической модели генерации гармоник в параксиальном приближении для гауссовых пучков. Более подробное описание каждого метода приводится в соответствующем разделе диссертационной работы.

Защищаемые положения

1. Генерация широкополосного излучения при параметрическом усилении возможна в условиях аномалий перестроечных кривых вдали от вырожденного режима и условий неколлинеарного фазового синхронизма в кристаллах BBO I-ого и KTA II-ого типов синхронизма с накачкой второй гармоникой и основным излучением фемтосекундного хром-форстеритового лазера в окрестности 2,3 и 3,8 мкм соответственно.

2. Генерация излучения ближнего (1,6 - 2 мкм) и среднего ИК диапазона (3,5 - 5,5 мкм) c длительностью импульса порядка 150 фс возможна с максимальной эффективностью 10% в трехкаскадном параметрическом усилителе на основе кристаллов AGS при оптимальном отрицательном чирпировании хром-форстеритового импульса накачки до 260 фс и интенсивности 100 ГВт/см2.

3. Порог плазмообразования, достигаемый при острой фокусировке (NA ~ 0,5) линейно поляризованного высокоинтенсивного (~ 1013 Вт/см2) фемтосекундного излучения длительностью порядка 150 - 200 фс в объем прозрачных диэлектриков (SiO2, MgF2), зависит от длины волны в диапазоне 0,3 -5 мкм немонотонно. Основную роль в изменении порога в области 0,3 - 1,24 мкм

играет уменьшение сечения полевой ионизации, а на длинах волн более 1,24 мкм -изменение эффективности нагрева электрона в зоне проводимости.

4. Управление давлением и составом газовой среды Xe-CO2 позволяет повысить эффективность преобразования высокоинтенсивного 1013 Вт/см2) фемтосекундного (~ 150 фс) излучения среднего ИК диапазона (4,45 мкм) в третью и пятую гармоники в 25 и 10 раз по сравнению с чистым Xe до 1% и 0,3% соответственно.

Достоверность результатов подтверждается повторяемостью экспериментальных данных, а также их совпадением с результатами численного моделирования. Все представленные результаты прошли рецензирование при публикации в высокорейтинговых журналах, были неоднократно доложены на российских и зарубежных конференциях.

Апробация работы и публикации

Результаты исследований, вошедшие в работу, опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в 6 научных статьях, опубликованных в журналах Scopus, WoS, RSCI, а также в Перечне изданий МГУ, докладывались на следующих научных конференциях: международная конференция по лазерам и квантовой электронике CLEO Europe & EQEC 2017 (Мюнхен, Германия, 2017), 18-я международная конференция «Оптика лазеров-2018» (Санкт-Петербург, Россия, 2018), 7-я международная летняя школа «Trends and new developments in Laser Technology 2018» (Дрезден, Германия, 2018), международная конференция по сверхбыстрым оптическим процессам «UltrafastLight-2018» (Москва, Россия,

2018), международная конференция SPIE Optics + Optoelectronics (Прага, Чехия,

2019), международная конференция по лазерам и квантовой электронике CLEO Europe & EQEC 2019 (Мюнхен, Германия, 2019), международная конференция по сверхбыстрым оптическим процессам «UltrafastLight-2019» (Москва, Россия, 2019), 19-я международная конференция «Оптика лазеров-2020» (Санкт-Петербург, Россия, 2020), международная конференция по сверхбыстрым оптическим процессам «UltrafastLight-2020» (Москва, Россия, 2020).

Личный вклад автора

Все изложенные в работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось создание и настройка экспериментальных схем, проведение экспериментов, обработка, анализ и интерпретация экспериментальных результатов, разработка и написание численных моделей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, благодарностей и списка литературы. Работа изложена на 136 страницах, включает 46 рисунков, 2 таблицы и список литературы с общим числом ссылок 196.

Краткое содержание диссертации

Первая глава диссертационной работы посвящена созданию фемтосекундного оптического параметрического усилителя ближнего и среднего ИК диапазона (1,65 - 5,5 мкм) с накачкой хром-форстеритовой лазерной системой. В начале главы дается подробный обзор современных лазерных и параметрических источников излучения в среднем ИК диапазоне. Далее описывается лазер накачки и выбор кристалла как для генерации затравочного излучения (суперконтинуума), так и для нелинейно-оптического преобразования. Рассматриваются оригинальные исследования специфического режима согласования групповых скоростей вблизи длинноволновой границы оптической прозрачности различных кристаллов. Затем дается подробное описание созданного трехкаскадного параметрического усилителя, приводятся основные параметры выходного излучения. В конце главы описывается влияние длительности импульса накачки на эффективность преобразования.

Вторая глава посвящена исследованию процессов ионизации при

взаимодействии остросфокусированного (ЫА ~ 0,5) высокоинтенсивного (~1013

Вт/см2) перестраиваемого излучения с объемом прозрачных диэлектриков ^Ю2,

MgF2). В начале главы приводятся имеющиеся теоретические модели,

описывающие механизмы ионизации твердых тел, и экспериментальные данные

изменения порога пробоя в различных спектральных диапазонах (от видимого УФ

11

до среднего ИК). Приводится экспериментальная схема, методика измерения порога плазмообразования, а также численные методы, используемые для анализа результатов. Обсуждаются данные экспериментов по исследованию зависимости порога плазмообразования от длины волны, приводятся результаты численного моделирования.

Третья глава диссертационной работы посвящена изучению процесса генерации низких гармоник в плотных газовых средах и их смесях. В начале главы дается обзор литературы, посвященный процессу генерации гармоник в газах в различных режимах. Затем рассматриваются возможности повышения эффективности преобразования в излучение гармоник на примере третьей с теоретической точки зрения. Описываются оригинальные эксперименты по исследованию зависимости эффективности преобразования в третью и пятую гармоники от давления в различных спектральных диапазонах. Показывается, что газ представляет собой удобную среду, позволяющую подстраивать условия фазового согласования под имеющуюся интенсивность лазерного излучения. Обсуждается роль дисперсии, генерации плазмы и условий фокусировки (геометрической фазы). Описываются дополнительные возможности оптимизации условий фазового согласования за счет использования смесей газов, один из которых содержит резонанс с излучением накачки.

Основные публикации по результатам исследований, выполненных в работе

Potemkin F. V., Migal E. A., Podshivalov A. A., Gordienko V. M. Broadband femtosecond parametric amplification in KTA close to mid-IR transparency cutoff //Journal of Optics. - 2016. - Т. 18. - №. 9. - С. 095502.

Migal E. A., Potemkin F. V., Gordienko V. M. Highly efficient optical parametric amplifier tunable from near-to mid-IR for driving extreme nonlinear optics in solids //Optics letters. - 2017. - Т. 42. - №. 24. - С. 5218-5221.

Мигаль Е. А., Потемкин Ф. В. Широкополосное параметрическое усиление в

ближнем ИК-диапазоне (2-2.5 мкм) в условиях дисперсионных аномалий

перестроечных характеристик с накачкой хром-форстеритовым лазером //Письма в

12

Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2018. - Т. 107. - №. 5. - С. 301-305.

Migal E. A., Mareev E. I., Smetanina E. O., Duchateau G., and Potemkin F. V. Role of deposited energy density and impact ionization in the process of femtosecond laser-matter interaction in solids: scaling from visible to mid-IR wavelength // Nonlinear Optics and Applications XI. — SPIE, 2019. — P. 110260V-1-110260V-6.

Migal E., Mareev E., Smetanina E., Duchateau G., Potemkin F. Role of wavelength in photocarrier absorption and plasma formation threshold under excitation of dielectrics by high-intensity laser field tunable from visible to mid-IR //Scientific Reports. - 2020. - Т. 10. - №. 1. - С. 1-10.

Migal E. A., Potemkin F. V., Gordienko V. M. Efficient strong-field low-order harmonic generation in xenon microplasma by a tightly focused Cr:Forsterite laser // Laser Physics Letters. — 2019. — no. 16. — P. 045401.

Migal E. A., Stremoukhov S. Y., Potemkin F. V. Ionization-free resonantly enhanced low-order harmonic generation in a dense gas mixture by a mid-IR laser field // Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics. — 2020. — Vol. 101. — P. 021401-1-021401-4.

Глава 1. Генерация перестраиваемого по длине волны лазерного изучения фемтосекундной длительности в ближнем и среднем ИК диапазоне при параметрическом усилении затравочного излучения суперконтинуума с накачкой хром-форестеритовым лазером

Последнее десятилетие отмечено бурным прогрессом в разработке и создании лазерных систем в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне (2 - 10 мкм). Большой интерес к таким источникам диктуется широкими возможностями их применения как в научных исследованиях, так и в прикладных областях науки. Так как каждое конкретное применение обладает своими требованими к параметрам лазерного излучения, то на сегодняшний день в этом диапазоне длин волн существуют источники непрерывного [1] и импульсного типа, микро-, нано- [2], пико- и фемтосекундной [3,4] длительности, перестраиваемые [5] и работающие на фиксированных длинах волн, с частотой повторения от единиц герц до гигагерц.

Данная работа посвящена изучению нелинейно-оптических процессов, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с диэлектрическими и плотными газовыми средами. Характерной величиной в таком случае становится нелинейный показатель преломления, величина которого определяет возможность наблюдения тех или иных нелинейно-оптических явлений. Рассматриваемые в работе твердотельные среды и газы имеют значение п2~10-16-10-19 см2/Вт. Описываемые эксперименты проводились в лабораторных условиях, так что характерный размер перетяжки в среде составлял десятки миллиметров. В таком случае простейшая оценка показывает, что для достижения фазового набега равного 2 п в средах с указанной нелинейностью и длиной 1 см, требуется источник лазерного излучения с интенсивностью 1012-1015 Вт/см2.

В связи с этим данная работа ограничивается рассмотрением лазерных

источников фемтосекундной (100 - 200 фс) длительности с энергией в импульсе от

единиц микроджоулей до единиц милиджоулей в диапазоне длин волн 1,5 - 5 мкм

на частоте повторения 10 Гц. Рассматриваемый диапазон длин волн и

длительностей был выбран в силу ряда физических предпосылок. Для

14

исследования процессов ионизации, описанных в главе 2 данной работы, необходимо изменение в достаточно широких пределах параметра Келдыша (0,2 -2), а также отношения пондеромоторной энергии электрона, набираемой в поле лазерного импульса, к величине кванта излучения (0,1 - 1000). Учитывая, что интенсивность лазерного излучения в конденсированной среде ограничена на уровне 5х1013 Вт/см2, длина волны должна изменяться в диапазоне от видимого до среднего ИК диапазона, что может быть реализовано с использованием процессов параметрического усиления и генерации второй гармоники. Кроме того, в области длин волн до 6 мкм доступны новые лазерные среды на основе халькогенидных матриц, легированных ионами переходных металлов [6,7], свойства которых на момент выполнения и написания данной работы оставались не до конца изученными. В то же время исследование усилительных и генерационных свойств таких кристаллов, как Fe:ZnSe, представляет большой интерес, так как позволяет создавать полноценные твердотельные лазерные системы в среднем ИК диапазоне на основе технологии усиления чирпированных импульсов. Спектр усиления кристалла Бе^пБе позволяет усиливать импульсы с длительностью до 50 фс при комнатной температуре. Учитывая, что исследования процессов ионизации, представленные в главе 2, включали в себя также выявление роли лавинной ионизации, то длительность импульсов была выбрана в диапазоне 100 - 200 фс. Лазерная система на основе кристалла Бе^пБе, включающая в себя генератор затравочного излучения в окрестности 4,4 мкм на основе параметрического усиления, использовалась для части исследований, выполненных в главе 3.

Диапазон длин волн 1,5 - 5 мкм, кроме того, обладает удобством для проведения исследований так как, с одной стороны, большинство сред прозрачно в указанной области спектра или большей его части (в том числе атмосферный воздух, что позволяет не использовать вакуумную откачку или замещение атмосферы в рабочей схеме лазерного источника), а с другой - могут быть найдены среды, демонстрирующие полосы поглощения (например, углекислый газ), что было важно для проведения исследований, представленных в главе 3.

Стоит отметить также возможные перспективы использования источника излучения в данном диапазоне длин волн. Согласно теоретическим исследованиям максимум эффективности генерации терагерцового излучения при двуцветной филаментации лежит в окрестности 3 мкм [8], а эффективность генерации высоких гармоник уменьшается с длиной волны, как ~Л-5,5 [9]. Таким образом, для задач преобразования излучения в ТГц и ВУФ диапазоны значительное смещение длины волны в дальний ИК является бессмысленным и требует развития дополнительных методик фазового согласования для увеличения эффективности генерации в первую очередь за счет большого числа синхронно излучающих атомов.

Таким образом, данная глава описывает оригинальные экспериментальные и теоретические исследования посвященные созданию фемтосекундного источника излучения ближнего и среднего ИК диапазона с управляемыми параметрами (перестройка в диапазоне длин волн 1,5 - 5 мкм, выходной энергией порядка 10 мкДж и возможностью усиления до миллиджоульного уровня на фиксированной длине волны, длительностью 100 - 200 фс) на основе параметрического усиления.

1.1 Фемтосекундные лазерные источники в среднем ИК диапазоне

На сегодняшний день источники фемтосекундного излучения среднего ИК диапазона представлены несколькими технологиями.

Прежде всего, необходимо отметить существенный прогресс лазерных источников, который стал возможен благодаря развитию технологий роста кристаллов халькогенидов (2^, CdSe и т.п.), легированных ионами

переходных металлов (Сг, Со, М, Fe и т.п.). Область генерации указанных сред находится в диапазоне 2 - 6 мкм, а спектр генерации позволяет получать излучение с длительностью импульса до нескольких десятков фемтосекунд. Наибольший прогресс среди указанных сред достигнут с кристаллами Cr:ZnSe/ZnS и Fe:ZnSe, при использовании которых получена генерация и усиление фемтосекундных импульсов. Наиболее короткие импульсы с длительностью до 26 фс и энергией 6,3 нДж на длине волны 2,3 мкм были получены в генераторе при синхронизации мод на основе Керровской линзы в кристалле О"^^ [10]. Первая полноценная Cr:ZnSe

16

система на основе усиления чирпированных импульсов (УЧИ), состоящая из задающего генератора, пары стретчер-компрессор, регенеративного усилителя и двух однопроходных усилителей, была описана в работе [11], где были получены импульсы длительностью 184 фс с энергией 1 мДж на длине волны 2,5 мкм (пиковая мощность 5 ГВт). В дальнейшем пиковая мощность систем на основе УЧИ была существенно повышена за счет использования подхода гибридного усиления параметрической инжекции в халькогенидных кристаллах. Впервые этот подход для халькогенидов был предложен в [12] для кристалла Бе^пБе, первая генерация фемтосекундных импульсов в котором была получена лишь недавно с помощью пассивной синхронизации мод на графене [13]. Таким образом, параметрическая инжекция обеспечивала необходимое затравочное излучение для кристалла Бе^пБе, фемтосекундная генерация которого еще не была получена. Такой подход позволил получить импульсы с длительностью до 150 фс и энергией 3,5 мДж на длине волны 4,4 мкм (20 ГВт) [14]; до 44 фс и энергией 4 мДж на длине волны 2,5 мкм (90 ГВт) [15]; до 100 фс и энергией 7 мДж на длине волны 2,4 мкм (70 ГВт) [16]. Отметим, что максимальные выходные характеристики полноценной Сг^пБе системы на момент написания работы составляют 140 фс, 1,5 мДж (9,5 ГВт) [17].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мигаль Екатерина Александровна, 2022 год

Список литературы

1. Jung D. et al. Next-generation mid-infrared sources // J. Opt. IOP Publishing, 2017. Vol. 19, № 12. P. 123001.

2. Godard A. Infrared (2-12 ^m) solid-state laser sources: a review // Comptes Rendus Phys. No longer published by Elsevier, 2007. Vol. 8, № 10. P. 11001128.

3. Ma J. et al. Review of mid-infrared mode-locked laser sources in the 2.0 ^m-3.5 ^m spectral region // Appl. Phys. Rev. AIP Publishing LLC AIP Publishing , 2019. Vol. 6, № 2. P. 021317.

4. Pires H. et al. Ultrashort pulse generation in the mid-IR // Prog. Quantum Electron. Elsevier, 2015. Vol. 43. P. 1-30.

5. Petrov V. Frequency down-conversion of solid-state laser sources to the mid-infrared spectral range using non-oxide nonlinear crystals // Prog. Quantum Electron. Elsevier, 2015. Vol. 42. P. 1-106.

6. Kozlovsky V.I. et al. Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II-VI compound crystals grown from vapor phase // Phys. Status Solidi Basic Res. 2010. Vol. 247, № 6. P. 1553-1556.

7. Mirov S.B. et al. Progress in mid-IR Cr2+ and Fe2+ doped II-VI materials and lasers // Opt. Mater. Express. 2011. Vol. 1, № 5. P. 898.

8. Fedorov V.Y., Tzortzakis S. Optimal wavelength for two-color filamentation-induced terahertz sources // Opt. Express. 2018. Vol. 26, № 24. P. 31150.

9. Tate J. et al. Scaling of wave-packet dynamics in an intense midinfrared Field // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 98, № 1. P. 013901.

10. Vasilyev S. et al. Ultrafast middle-IR lasers and amplifiers based on polycrystalline Cr:ZnS and Cr:ZnSe // Opt. Mater. Express. 2017. Vol. 7, № 7. P. 2636.

11. Slobodchikov E., Chieffo L.R., Wall K.F. High peak power ultrafast Cr:ZnSe

oscillator and power amplifier // Proc. SPIE 9726, Solid State Lasers XXV Technol. Devices / ed. Clarkson W.A., Shori R.K. International Society for Optics and Photonics, 2016. Vol. 9726, № Figure 1. P. 972603.

12. Potemkin F. V. et al. Toward a sub-terawatt mid-IR (4-5 ^m) femtosecond hybrid laser system based on parametric seed pulse generation and amplification in Fe2+:ZnSe // Laser Phys. Lett. 2016. Vol. 13, № 1.

13. Pushkin A. V. et al. Femtosecond graphene mode-locked Fe:ZnSe laser at 44 ^m // Opt. Lett. 2020. Vol. 45, № 3. P. 738.

14. Migal E. et al. 3.5-mJ 150-fs Fe:ZnSe hybrid mid-IR femtosecond laser at 4.4 ^m for driving extreme nonlinear optics // Opt. Lett. The Optical Society, 2019. Vol. 44, № 10. P. 2550.

15. Wu Y. et al. Generation of few-cycle multi-millijoule 2.5 ^m pulses from a singlestage Cr2+:ZnSe amplifier // Sci. Rep. Nature Research, 2020. Vol. 10, № 1. P. 17.

16. Leshchenko V.E. et al. High-power few-cycle Cr:ZnSe mid-infrared source for attosecond soft x-ray physics // Optica. 2020. Vol. 7, № 8. P. 981.

17. Vasilyev S. et al. 5-mJ Cr: ZnSe Chirped Pulse Amplifier Seeded by a Kerr-Lens Mode-Locked Cr:ZnS oscillator // Advanced Solid State Lasers - Proceedings Laser Congress 2019 (ASSL, LAC, LS and C). 2019.

18. Huang J. et al. Sub-two-cycle octave-spanning mid-infrared fiber laser // Optica. 2020. Vol. 7, № 6. P. 574.

19. Xie G. et al. 2-MW peak-power pulses from a dispersion-managed fluoride fiber amplifier at 2.8 ^m // Opt. Lett. Vol. 46, Issue 20, pp. 5104-5107. Optical Society of America, 2021. Vol. 46, № 20. P. 5104-5107.

20. Bravy B.G. et al. Multi-terawatt picoseconds 10-^m C02 laser system: design and parameters' control. // Opt. Express. 2012. Vol. 20, № 23. P. 25536-25544.

21. Polyanskiy M.N. et al. Demonstration of a 2 ps, 5 TW peak power, long-wave

infrared laser based on chirped-pulse amplification with mixed-isotope CO 2

119

amplifiers // OSA Contin. 2020. Vol. 3, № 3. P. 459.

22. Pogorelsky I. V. et al. Post-compression of long-wave infrared 2 picosecond sub-terawatt pulses in bulk materials // Opt. Express, Vol. 29, Issue 20, pp. 3171431725. Optical Society of America, 2021. Vol. 29, № 20. P. 31714-31725.

23. He H. et al. 520-^J mid-infrared femtosecond laser at 2.8 ^m by 1-kHz KTA optical parametric amplifier // Appl. Phys. B Lasers Opt. 2018. Vol. 124, № 2. P. 31.

24. Lu F. et al. Generation of sub-two-cycle CEP-stable optical pulses at 35 ^m from a KTA-based optical parametric amplifier with multiple-plate compression // Opt. Lett. 2018. Vol. 43, № 11. P. 2720.

25. Petrov V., Rotermund F., Noack F. Femtosecond travelling-wave optical parametric amplification in MgO:LiNbO3 // Appl. Opt. 1998. Vol. 37, № 36. P. 8504-8511.

26. Cussat-Blanc S. et al. KTiOPO4 , KTiOAsO4 , and KNbO3 crystals for mid-infrared femtosecond optical parametric amplifiers: Analysis and comparison // Appl. Phys. B Lasers Opt. 2000. Vol. 70, № SUPPL. 1.

27. Brida D. et al. Generation of broadband mid-infrared pulses from an optical parametric amplifier // Opt. Express. Optical Society of America, 2007. Vol. 15, № 23. P. 15035.

28. Brida D. et al. Two-optical-cycle pulses in the mid-infrared from an optical parametric amplifier. // Opt. Lett. 2008. Vol. 33, № 24. P. 2901-2903.

29. Lanin A.A., Fedotov A.B., Zheltikov A.M. Ultrabroadband XFROG of few-cycle mid-infrared pulses by four-wave mixing in a gas // J. Opt. Soc. Am. B. 2014. Vol. 31, № 8. P. 1901.

30. Kaindl R.A. et al. Generation, shaping, and characterization of intense femtosecond pulses tunable from 3 to 20 ^m // J. Opt. Soc. Am. B. 2000. Vol. 17, № 12. P. 2086.

31. Yin Y. et al. Generation of octave-spanning mid-infrared pulses from cascaded

120

second-order nonlinear processes in a single crystal // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, № 1.

32. Musheghyan M. et al. Tunable, few-cycle, CEP-stable mid-IR optical parametric amplifier for strong field applications // J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys. 2020. Vol. 53, № 18.

33. Zhang Q. et al. Dual-chirped optical parametric amplification for generating few hundred mJ infrared pulses // Opt. Express. 2011.

34. Fu Y., Midorikawa K., Takahashi E.J. Dual-chirped optical parametric amplification: A method for generating super-intense mid-infrared few-cycle pulses // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2019. Vol. 25, № 4.

35. Fu Y., Midorikawa K., Takahashi E.J. A high-energy mid-infrared to THz laser // Optics InfoBase Conference Papers. 2018. Vol. Part F115-.

36. Kozich V., Moguilevski A., Heyne K. High energy femtosecond OPA pumped by 1030 nm Yb:KGW laser. // Opt. Commun. Elsevier, 2012. Vol. 285, № 21-22. P. 4515-4518.

37. Seidel M. et al. Multi-watt, multi-octave, mid-infrared femtosecond source // Sci. Adv. 2018. Vol. 4, № 4. P. eaaq1526.

38. Heiner Z. et al. 100-kHz, dual-beam OPA delivering high-quality, 5-cycle angular-dispersion-compensated mid-infrared idler pulses at 31 ^m // Opt. Express. 2018. Vol. 26, № 20. P. 25793.

39. Budriunas R., Jurkus K., Varanavicius A. Broadband mid-infrared source tunable through 3-11 ^m based on Yb-doped Laser and dual OPA setup // Optics InfoBase Conference Papers. 2020.

40. Mero M., Petrov V., Heiner Z. Efficient, sub-4-cycle, 1-^m-pumped optical parametric amplifier at 10 ^m based on BaGa4S7 // Opt. Lett. Vol. 45, Issue 20, pp. 5692-5695. Optical Society of America, 2020. Vol. 45, № 20. P. 5692-5695.

41. Wandel S. et al. Parametric generation and characterization of femtosecond mid-infrared pulses in ZnGeP_2 // Opt. Express. 2016. Vol. 24, № 5. P. 5287.

42. Liu K. et al. High-energy mid-infrared intrapulse difference-frequency generation with 53% conversion efficiency driven at 3 ^m // Opt. Express. 2019. Vol. 27, № 26. P. 37706.

43. Nam S.-H. et al. Octave-spanning mid-infrared femtosecond OPA in a ZnGeP 2 pumped by a 24 ^m Cr:ZnSe chirped-pulse amplifier // Opt. Express. 2020. Vol. 28, № 22. P. 32403.

44. Thiré N. et al. Highly stable, 15 W, few-cycle, 65 mrad CEP-noise mid-IR OPCPA for statistical physics // Opt. Express. 2018. Vol. 26, № 21. P. 26907.

45. Bigler N. et al. High-power OPCPA generating 17 cycle pulses at 25 ^m // Opt. Express. 2018. Vol. 26, № 20. P. 26750.

46. Andriukaitis G. et al. 90 GW peak power few-cycle mid-infrared pulses from an optical parametric amplifier. // Opt. Lett. 2011. Vol. 36, № 15. P. 2755-2757.

47. Mitrofanov A. V et al. Subterawatt femtosecond pulses in the mid-infrared range: new spatiotemporal dynamics of high-power electromagnetic fields // Physics-Uspekhi. 2015. Vol. 58, № 1. P. 89-94.

48. Wang P. et al. 26 mJ/100 Hz CEP-stable near-single-cycle 4 ^m laser based on OPCPA and hollow-core fiber compression // Opt. Lett. 2018. Vol. 43, № 9. P. 2197.

49. Kanai T. et al. Parametric amplification of 100 fs mid-infrared pulses in ZnGeP2 driven by a Ho:YAG chirped-pulse amplifier // Opt. Lett. Optical Society of America, 2017. Vol. 42, № 4. P. 683.

50. Sanchez D. et al. 7 ^m, ultrafast, sub-millijoule-level mid-infrared optical parametric chirped pulse amplifier pumped at 2 ^m // Optica. 2016. Vol. 3, № 2. P. 147-150.

51. von Grafenstein L. et al. Multi-millijoule, few-cycle 5 ^m OPCPA at 1 kHz repetition rate // Opt. Lett. 2020. Vol. 45, № 21. P. 5998.

52. Jordan C. et al. Efficient compression of femtosecond pulses by stimulated Raman

scattering // Appl. Phys. B Laser Opt. 1994. Vol. 59, № 4. P. 471-473.

122

53. Konyashchenko A. V, Losev L.L., Tenyakov S.Y. Second Stokes component generation in the SRS of chirped laser pulses // Quantum Electron. 2011. Vol. 41, № 5. P. 459-464.

54. Gladyshev A. et al. Mid-infrared 10-^J-level sub-picosecond pulse generation via stimulated Raman scattering in a gas-filled revolver fiber // Opt. Mater. Express. 2020. Vol. 10, № 12. P. 3081.

55. Agranat M.B. et al. Terawatt femtosecond Cr:forsterite laser system // Quantum Electron. IOP Publishing, 2004. Vol. 34, № 6. P. 506-508.

56. Gordienko, V.M. et al. Efficient parametric oscillation in the 8—10-^m range upon pumping by a femtosecond Cr:forsterite laser // Quantum Electron. 2006. Vol. 36, № 2. P. 114-116.

57. Rotermund F., Petrov V. Mid-infrared femtosecond optical parametric generator pumped by a Cr:forsterite regenerative amplifier at 1.25 ^m // Appl. Phys. B. Springer-Verlag, 2000. Vol. 70, № 5. P. 731-732.

58. Rotermund F., Petrov V. Femtosecond Noncollinear Optical Parametric Amplification in the Mid-Infrared Range with 1.25 цт Pumping // Jpn. J. Appl. Phys. IOP Publishing, 2001. Vol. 40, № Part 1, No. 5A. P. 3195-3200.

59. Гречин С.С. Высокоэффективное нелинейно-оптическое преобразование частоты излучения фемтосекундного лазера на хром-форстерите в видимый и средний ИК диапазоны. МГУ им. М.В. Ломоносова, 2006. 182 p.

60. Baltuska A., Pshenichnikov M.S., Wiersma D.A. Second-harmonic generation frequency-resolved optical gating in the single-cycle regime // IEEE J. Quantum Electron. 1999. Vol. 35, № 4. P. 459-478.

61. Taft G. et al. Measurement of 10-fs laser pulses // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 1996. Vol. 2, № 3. P. 575-584.

62. Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н. Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике. М.: Радио и связь, 1991. 160 p.

63. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. M., Наука, 1988.

64. Wandel S. et al. Parametric generation of energetic short mid-infrared pulses for dielectric laser acceleration // J. Phys. B At. Mol. Opt. Phys. 2014. Vol. 47, № 23. P. 234016.

65. Kandidov V.P., Shlenov S.A., Kosareva O.G. Filamentation of high-power femtosecond laser radiation // Quantum Electron. 2009. Vol. 39, № 3.

66. Baltuska A. et al. Controlling the Carrier-Envelope Phase of Ultrashort Light Pulses with Optical Parametric Amplifiers // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88, № 13. P. 133901.

67. Bradler M., Baum P., Riedle E. Femtosecond continuum generation in bulk laser host materials with sub-^J pump pulses // Appl. Phys. B Lasers Opt. 2009. Vol. 97, № 3. P. 561-574.

68. Xu S. et al. Femtosecond laser ablation of crystals SiO2 and YAG // Opt. Commun. 2007. Vol. 274, № 1. P. 163-166.

69. Kudarauskas D. et al. Filament-induced luminescence and supercontinuum generation in undoped, Yb-doped, and Nd-doped YAG crystals // Appl. Phys. Lett. 2018.

70. Ranka J.K., Schirmer R.W., Gaeta A.L. Observation of pulse splitting in nonlinear dispersive media // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 77, № 18. P. 3783-3786.

71. Rothenberg J.E. Pulse splitting during self-focusing in normally dispersive media // Opt. Lett. 1992. Vol. 17, № 8. P. 583.

72. Galinis J. et al. Filamentation and supercontinuum generation in solid-state dielectric media with picosecond laser pulses // Phys. Rev. A - At. Mol. Opt. Phys. 2015. Vol. 92, № 3.

73. Jukna V. et al. Infrared extension of femtosecond supercontinuum generated by filamentation in solid-state media // Appl. Phys. B Lasers Opt. 2014. Vol. 116, № 2. P. 477-483.

74. Spacek A. et al. Stability mechanism of picosecond supercontinuum in YAG // Opt. Express. 2020. Vol. 28. P. 20205-20214.

75. van de Walle A. et al. Spectral and spatial full-bandwidth correlation analysis of bulk-generated supercontinuum in the mid-infrared // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 4. P. 673.

76. Mackonis P. et al. Stable 1100 - 2400 nm supercontinuum in YAG with picosecond pumping for simplified OPCPA // Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, OSA Technical Digest (Optical Society of America). 2019.

77. Petrov V., Noack F., Stolzenberger R. Seeded femtosecond optical parametric amplification inthe mid-infrared spectral region above 3 mm // Appl. Opt. 1997. Vol. 36, № 6. P. 1164-1172.

78. Zhang D., Kong Y., Zhang J.Y. Optical parametric properties of 532-nm-pumped beta-barium-borate near the infrared absorption edge // Opt. Commun. 2000. Vol. 184, № 5. P. 485-491.

79. Bareîka B. et al. Parametric generation of picosecond continuum in near-infrared and visible ranges on the basis of a quadratic nonlinearity // Sov. J. Quantum Electron. 1982. Vol. 12, № 12. P. 1654-1656.

80. Birmontas A., Piskarskas A., Stabinis A. Dispersion anomalies of tuning characteristics and spectrum of an optical parametric oscillator // Sov. J. Quantum Electron. 1983. Vol. 13, № 9. P. 1243-1245.

81. Petrov V. et al. Femtosecond nonlinear frequency conversion based on BiB3O6 // Laser Photon. Rev. WILEY-VCH Verlag, 2010. Vol. 4, № 1. P. 53-98.

82. Chen B.-H. et al. Octave-spanning single-cycle middle-infrared generation through optical parametric amplification in LiGaS 2 // Opt. Express. 2019. Vol. 27, № 15. P. 21306.

83. Qu S. et al. 9 ^m few-cycle optical parametric chirped-pulse amplifier based on LiGaS 2 // Opt. Lett. Optical Society of America, 2019. Vol. 44, № 10. P. 2422.

125

84. Golubtsov I.S., Kandidov V.P., Kosareva O.G. Initial phase modulation of a highpower femtosecond laser pulse as a tool for controlling the pulse filamentation and generation of a supercontinuum in air // Kvantovaya Elektron. 2003. Vol. 33, № 6. P. 525-531.

85. Milian C. et al. Effect of input pulse chirp on nonlinear energy deposition and plasma excitation in water // J. Opt. Soc. Am. B. 2014. Vol. 31, № 11. P. 2829.

86. Kartazaev V., Alfano R.R. Supercontinuum generated in calcite with chirped femtosecond pulses // Opt. Lett. 2007. Vol. 32, № 22. P. 3293.

87. Migal E. et al. Role of wavelength in photocarrier absorption and plasma formation threshold under excitation of dielectrics by high-intensity laser field tunable from visible to mid-IR // Sci. Reports 2020 101. Nature Publishing Group, 2020. Vol. 10, № 1. P. 1-10.

88. Migal E.A. et al. Amplification properties of polycrystalline Fe:ZnSe crystals for high power femtosecond mid-IR laser systems // Opt. Mater. (Amst). North-Holland, 2021. Vol. 111. P. 110640.

89. Migal E.A., Stremoukhov S.Y., Potemkin F. V. Ionization-free resonantly enhanced low-order harmonic generation in a dense gas mixture by a mid-IR laser field // Phys. Rev. A. 2020.

90. Schaffer C.B., Brodeur A., Mazur E. Laser-induced breakdown and damage in bulktransparent materials induced by tightly focused femtosecond laserpulses // Meas. Sci. Technol. IOP Publishing, 2001. Vol. 12, № 11. P. 1784.

91. Bulgakova N.M., Stoian R., Rosenfeld A. Laser-induced modification of transparent crystals and glasses // Quantum Electron. IOP Publishing, 2010. Vol. 40, № 11. P. 966-985.

92. Gamaly E.G. et al. Laser-matter interaction in the bulk of a transparent solid: Confined microexplosion and void formation // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. American Physical Society, 2006. Vol. 73, № 21. P. 214101.

93. Yu X. et al. Femtosecond laser nanomachining initiated by ultraviolet multiphoton

126

ionization // Opt. Express. 2013. Vol. 21, № 20. P. 24185.

94. Potemkin F. et al. Controlled energy deposition and void-like modification inside transparent solids by two-color tightly focused femtosecond laser pulses // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110, № 16.

95. Ghimire S., Reis D.A. High-harmonic generation from solids // Nat. Phys. 2018 151. Nature Publishing Group, 2018. Vol. 15, № 1. P. 10-16.

96. Cesar D. et al. High-field nonlinear optical response and phase control in a dielectric laser accelerator // Commun. Phys. 2018 11. Nature Publishing Group, 2018. Vol. 1, № 1. P. 1-7.

97. Келдыш Л.В. Ионизация в поле сильной электромагнитной волны // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1965. Vol. 47, № 5. P. 19451958.

98. Demichelis C. Laser Induced Gas Breakdown: A Bibliographical Review // IEEE J. Quantum Electron. 1969. Vol. 5, № 4. P. 188-202.

99. Bravy B.G., Gordienko V.M., Platonenko V.T. Kerr effect-assisted self-compression in dielectric to single-cycle pulse width and to terawatt power level in mid-IR // Opt. Commun. 2015. Vol. 344. P. 7-11.

100. Audebert P. et al. Space-Time Observation of an Electron Gas in SiO2 // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 1994. Vol. 73, № 14. P. 1990.

101. Lindner R. et al. Femtosecond laser pulse excitation of electrons and excitonsin CaF2 and SrF2 // J. Phys. Condens. Matter. IOP Publishing, 2001. Vol. 13, № 10. P. 2339.

102. Grojo D. et al. Exciton-seeded multiphoton ionization in bulk SiO2 // Phys. Rev. B. American Physical Society, 2010. Vol. 81, № 21. P. 212301.

103. Guizard S. et al. Contrasted Behaviour of an Electron Gas in MgO, Al2O3 and SiO2 // Europhys. Lett. IOP Publishing, 1995. Vol. 29, № 5. P. 401.

104. Sun H. et al. Mechanisms of femtosecond laser-induced damage in magnesium

fluoride // Solid State Commun. Pergamon, 2007. Vol. 141, № 3. P. 127-131.

105. Chimier B. et al. Damage and ablation thresholds of fused-silica in femtosecond regime // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2011.

106. Christensen B., Balling P. Modeling ultrashort-pulse laser ablation of dielectric materials // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79. P. 155424.

107. Rethfeld B. Unified model for the free-electron avalanche in laser-irradiated dielectrics // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 92, № 18. P. 1-4.

108. Rethfeld B. Free-electron generation in laser-irradiated dielectrics // Phys. Rev. B. 2006. Vol. 73. P. 035101.

109. Vogel A. et al. Mechanisms of femtosecond laser nanosurgery of cells and tissues // Appl. Phys. B 2005 818. Springer, 2005. Vol. 81, № 8. P. 1015-1047.

110. Linz N. et al. Wavelength dependence of femtosecond laser-induced breakdown in water and implications for laser surgery // Phys. Rev. B. 2016.

111. Kaiser A., Rethfeld B. Microscopic processes in dielectrics under irradiation by subpicosecond laser pulses // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2000.

112. Seely J.F., Harris E.G. Heating of a plasma by multiphoton inverse bremsstrahlung // Phys. Rev. A. 1973.

113. Duchateau G. et al. Evidence of noncollisional femtosecond laser energy deposition in dielectric materials // Phys. Rev. B. American Physical Society, 2020. Vol. 102, № 2. P. 024305.

114. Manenkov A.A. Fundamental mechanisms of laser-induced damage in optical materials: today's state of understanding and problems // Opt. Eng. SPIE-Intl Soc Optical Eng, 2014. Vol. 53, № 1. P. 010901.

115. Simanovskii D.M. et al. Midinfrared Optical Breakdown in Transparent Dielectrics // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 91, № 10.

116. Jia T.Q. et al. Ultraviolet-infrared femtosecond laser-induced damage in fused silica and CaF2 crystals // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2006. Vol.

73, № 5.

117. Grojo D. et al. Long-wavelength multiphoton ionization inside band-gap solids // Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys. 2013. Vol. 88, № 19.

118. Gallais L. et al. Wavelength dependence of femtosecond laser-induced damage threshold of optical materials // J. Appl. Phys. American Institute of Physics Inc., 2015. Vol. 117, № 22.

119. Hernandez-Rueda J. et al. The influence of femtosecond laser wavelength on waveguide fabrication inside fused silica // Appl. Phys. Lett. 2017.

120. Gordienko V.M., Potemkin F. V., Mikheev P.M. Evolution of a femtosecond laser-induced plasma and energy transfer processes in a SiO2 microvolume detected by the third harmonic generation technique // JETP Lett. 2009. Vol. 90, № 4. P. 263-267.

121. Stuart B.C. et al. Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 53, № 4. P. 1749-1761.

122. Chichkov B.N. et al. Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids // Appl. Phys. A 1996 632. Springer, 1996. Vol. 63, № 2. P. 109-115.

123. Korte F. et al. Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A 2003 772. Springer, 2003. Vol. 77, № 2. P. 229-235.

124. Juodkazis S. et al. Laser-induced microexplosion confined in a bulk of silica: Formation of nanovoids // Appl. Phys. Lett. American Institute of PhysicsAIP, 2006. Vol. 88, № 20. P. 201909.

125. Glezer E.N., Mazur E. Ultrafast-laser driven micro-explosions in transparent materials // Appl. Phys. Lett. American Institute of PhysicsAIP, 1998. Vol. 71, № 7. P. 882.

126. Sidorov-Biryukov D.A. et al. Three-dimensional microscopy of laser-produced plasmas using third-harmonic generation // Quantum Electron. IOP Publishing, 2000. Vol. 30, № 12. P. 1080-1082.

127. Golovan L.A. et al. Nanocrystal-size-sensitive third-harmonic generation in nanostructured silicon // Appl. Phys. B 2003 764. Springer, 2003. Vol. 76, № 4. P. 429-433.

128. Zabotnov S. V. et al. Third harmonic generation from a silicon surface structured by femtosecond laser pulses // Kvantovaya Elektron. IOP Publishing, 2005. Vol. 35, № 10. P. 943-946.

129. Ustinov A.S. et al. Third optical harmonic generation reveals circular anisotropy in tilted silicon nanowire array // Opt. Lett. Vol. 46, Issue 5, pp. 1189-1192. Optica Publishing Group, 2021. Vol. 46, № 5. P. 1189-1192.

130. Mareev E.I., Migal E.A., Potemkin F. V. Ultrafast third harmonic generation imaging of microplasma at the threshold of laser-induced plasma formation in solids // Appl. Phys. Lett. 2019. Vol. 114, № 3.

131. Peng J. et al. Control of energy deposition in femtosecond laser dielectric interactions // Appl. Phys. Lett. 2013.

132. Yang H. et al. Measurement of the collision time of dense electronic plasma induced by a femtosecond laser in fused silica // Opt. Lett. Vol. 30, Issue 3, pp. 320-322. Optical Society of America, 2005. Vol. 30, № 3. P. 320-322.

133. Ахманов С.А. Оптические нелинейности высших порядков // Нелинейная спектроскопия. Мир, 1979. P. 323.

134. Gordienko V.M. et al. Formation of micromodifications in a KDP crystal irradiated by tightly focused femtosecond visible laser pulses // Kvantovaya Elektron. 2005.

135. Gordienko V.M. et al. Highly efficient nanojoule second harmonic generation of a femtosecond Cr:forsterite laser radiation in a lithium niobate crystal // Quantum Electron. IOP Publishing, 2006. Vol. 36, № 11. P. 1072-1073.

136. Luu T.T. et al. Extreme-ultraviolet high-harmonic generation in liquids // Nat. Commun. 2018. Vol. 9, № 1.

137. DiChiara A.D. et al. An investigation of harmonic generation in liquid media with

130

a mid-infrared laser // Opt. Express. 2009. Vol. 17, № 23. P. 20959.

138. Mareev E. et al. Generation of an adjustable multi-octave supercontinuum under near-IR filamentation in gaseous , supercritical , and liquid carbon dioxide. 2016. Vol. 41, № 24. P. 5760-5763.

139. Babin A.A. et al. Ionization spectrum broadening and frequency blue-shift of high-intensity femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes // Appl. Phys. B 2002 754. Springer, 2002. Vol. 75, № 4. P. 509-514.

140. Babin A.A. et al. Ionization spectrum transformation and compression of powerful femtosecond laser pulses in experiments on the propagation in gas-filled dielectric capillaries // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 2002 769. Springer, 2002. Vol. 76, № 9. P. 548-552.

141. Mareev E.I. et al. Controlled nonlinearity and the lasing effect under femtosecond filamentation in dense and supercritical Xe // Laser Phys. Lett. IOP Publishing, 2019. Vol. 16, № 3. P. 035401.

142. Chin S.L., Théberge F., Liu W. Filamentation nonlinear optics // Appl. Phys. B 2006 863. Springer, 2006. Vol. 86, № 3. P. 477-483.

143. Gladkov S.M., Koroteev N.I. Quasiresonant nonlinear optical processes involving excited and ionized atoms // Uspekhi Fiz. Nauk. Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) Journal, 1990. Vol. 160, № 7. P. 105-145.

144. Bukin V. V et al. Formation and development dynamics of femtosecond laser microplasma in gases // Quantum Electron. 2006. Vol. 36, № 7. P. 638-645.

145. Fedotov A.B. et al. Saturation of third-harmonic generation in a plasma of self-induced optical breakdown due to the self-action of 80-fs light pulses // Opt. Commun. 1997. Vol. 133, № 1-6. P. 587-595.

146. Kuroda H. et al. Third-harmonic generation in air by use of femtosecond radiation in tight-focusing conditions // Appl. Opt. Vol. 45, Issue 4, pp. 748-755. Optical Society of America, 2006. Vol. 45, № 4. P. 748-755.

147. Li G. et al. Nonperturbative generation of above-threshold harmonics from pre-

131

excited argon atoms in intense mid-infrared laser fields // High Power Laser Sci. Eng. 2017. Vol. 5.

148. McCall S.L., Hahn E.L. Self-induced transparency by pulsed coherent light // Phys. Rev. Lett. 1967. Vol. 18, № 21. P. 908-911.

149. Grischkowsky D. Self-focusing of light by potassium vapor // Phys. Rev. Lett. 1970. Vol. 24, № 16. P. 866-869.

150. Dzhidzhoev M.S., Platonenko V.T., Chugunov A. V. Efficient four-wave mixing near vibrational resonances in ozone // Sov. J. Quantum Electron. 1985. Vol. 15, № 11. P. 1451-1453.

151. Архипкин В., Попов А. Нелинейная оптика и преобразование света в газах // УФН. 1987. Vol. 153. P. 423-468.

152. Ackermann P., Münch H., Halfmann T. Resonantly-enhanced harmonic generation in Argon // Opt. Express. 2012. Vol. 20, № 13. P. 13824.

153. Ganeev R.A. et al. Strong enhancement and extinction of single harmonic intensity in the mid- and end-plateau regions of the high harmonics generated in weakly excited laser plasmas // Opt. Lett. Optical Society of America, 2007. Vol. 32, № 1. P. 65.

154. Ferré A. et al. A table-top ultrashort light source in the extreme ultraviolet for circular dichroism experiments // Nat. Photonics. 2015. Vol. 9, № 2. P. 93-98.

155. Strelkov V. Role of autoionizing state in resonant high-order harmonic generation and attosecond pulse production // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104, № 12. P. 123901.

156. Taïeb R. et al. Roles of resonances and recollisions in strong-field atomic phenomena. II. High-order harmonic generation // Phys. Rev. A - At. Mol. Opt. Phys. 2003. Vol. 68, № 3. P. 1-8.

157. Redkin P. V., Kodirov M.K., Ganeev R.A. Theoretical investigation of resonant nonperturbative high-order harmonic generation in indium vapors // J. Opt. Soc. Am. B. 2011. Vol. 28, № 1. P. 165.

158. Strelkov V. V. et al. Attosecond electromagnetic pulses: generation, measurement, and application. Generation of high-order harmonics of intense laser field for attosecond pulse production // Uspekhi Fiz. Nauk. 2016. Vol. 186, № 5. P. 449470.

159. Allison T.K. et al. Femtosecond spectroscopy with vacuum ultraviolet pulse pairs // Opt. Lett. 2010. Vol. 35, № 21. P. 3664.

160. Rompotis D. et al. Efficient generation of below-threshold harmonics for high-fidelity multi-photon physics in the VUV spectral range // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 8. P. 1675.

161. Lambert G. et al. Spatial properties of odd and even low order harmonics generated in gas // Sci. Rep. 2015. Vol. 5.

162. Rothhardt J. et al. Absorption-limited and phase-matched high harmonic generation in the tight focusing regime // New J. Phys. IOP Publishing, 2014. Vol. 16, № 3. P. 033022.

163. Miao J. et al. Beyond crystallography: Diffractive imaging using coherent X-ray light sources // Science. 2015. Vol. 348, № 6234. P. 530-535.

164. Boyd R.W., Masters B.R. Nonlinear Optics, Third Edition // J. Biomed. Opt. 2009.

165. Райнтжес Д. Нелинейные оптические параметрические процессы в жидкостях и газах: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 512 p.

166. Mareev E.I. et al. Molecular Refraction and Nonlinear Refractive Index of Supercritical Carbon Dioxide under Clustering Conditions // Russ. J. Phys. Chem. B 2019 137. Springer, 2020. Vol. 13, № 7. P. 1214-1219.

167. Mizrahi V., Shelton D.P. Dispersion of nonlinear susceptibilities of Ar, N2, and O2 measured and compared // Phys. Rev. Lett. Phys Rev Lett, 1985. Vol. 55, № 7. P. 696-699.

168. Ganeev R.A. Generation of high-order harmonics of high-power lasers in plasmas

produced under irradiation of solid target surfaces by a prepulse // Physics-

133

Uspekhi. 2009. Vol. 52, № 1. P. 55-77.

169. Fedotov A.B. et al. Highly efficient frequency tripling of laser radiation in a low-temperature laser-produced gaseous plasma // JOSA B, Vol. 8, Issue 2, pp. 363366. Optica Publishing Group, 1991. Vol. 8, № 2. P. 363-366.

170. Fedotov A.B. et al. Third-harmonic generation in a laser-pre-excited gas: the role of excited-state neutrals // Phys. Lett. A. North-Holland, 2000. Vol. 271, № 5-6. P. 407-412.

171. Suntsov S. et al. Filamentation-induced third-harmonic generation in air via plasma-enhanced third-order susceptibility // Phys. Rev. A - At. Mol. Opt. Phys. 2010. Vol. 81, № 3.

172. Aközbek N. et al. Third-Harmonic Generation and Self-Channeling in Air Using High-Power Femtosecond Laser Pulses // Phys. Rev. Lett. 2002.

173. Yang H. et al. Third-order harmonic generation by self-guided femtosecond pulses in air // Phys. Rev. E. American Physical Society, 2003. Vol. 67, № 1. P. 015401.

174. Lambert G. et al. Injection of harmonics generated in gas in a free-electron laser providing intense and coherent extreme-ultraviolet light // Nat. Phys. 2008. Vol. 4, № 4. P. 296-300.

175. Nibbering E.T.J. et al. Determination of the inertial contribution to the nonlinear refractive index of air, N2, and O2 by use of unfocused high-intensity femtosecond laser pulses // J. Opt. Soc. Am. B. 1997. Vol. 14, № 3. P. 650.

176. Kramida A. et al. NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.6.1) [Electronic resource]. 2018. URL: https://physics.nist.gov/asd.

177. Heyl C.M. et al. Spectrally Resolved Maker Fringes in High-Order Harmonic Generation // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2011. Vol. 107, № 3. P. 033903.

178. Sayrac M. et al. Pressure optimization of high harmonic generation in a differentially pumped Ar or H2 gas jet // Rev. Sci. Instrum. AIP Publishing LLC, 2015. Vol. 86, № 4. P. 043108.

179. Bideau-Mehu A. et al. Measurement of refractive indices of neon, argon, krypton and xenon in the 253.7-140.4 nm wavelength range. Dispersion relations and estimated oscillator strengths of the resonance lines // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 1981. Vol. 25, № 5. P. 395-402.

180. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. Туннельная и надбарьерная ионизация атомов и ионов в поле лазерного излучения // Успехи Физических Наук. 1998. Vol. 168, № 5.

181. Martin P.E., Barker E.F. The Infrared Absorption Spectrum of Carbon Dioxide // Phys. Rev. American Physical Society, 1932. Vol. 41, № 3. P. 291.

182. Baldacci A. et al. Absorption spectrum of carbon dioxide at 4.3 ^m // J. Mol. Spectrosc. Academic Press, 1978. Vol. 70, № 1. P. 143-159.

183. Nakamichi S. et al. Buffer-gas pressure broadening for the (3 00 1)III^—(0 0 0) band of CO2 measured with continuous-wave cavity ring-down spectroscopy // Phys. Chem. Chem. Phys. The Royal Society of Chemistry, 2006. Vol. 8, № 3. P. 364-368.

184. Аршинов К. et al. Ударное уширение линий перехода 100-001 молекул CO2 атомами инертных газов в диапазоне температур 300 - 700К // Оптика и спектроскопия. 2018. Vol. 125, № 1. P. 5-9.

185. Meyer T.W., Rhodes C.K., Haus H.A. High-resolution line broadening and collisional studies in CO2 using nonlinear spectroscopic techniques // Phys. Rev. A. American Physical Society, 1975. Vol. 12, № 5. P. 1993.

186. Gordienko V.M., Platonenko V.T. Regenerative amplification of picosecond 10-^m pulses in a high-pressure optically pumped CO2 laser // Quantum Electron. IOP Publishing, 2011. Vol. 40, № 12. P. 1118-1122.

187. Sung K.S. et al. Fourier transform infrared spectroscopy measurements of H2O-broadened half-widths of CO2 at 4.3 ^m // https://doi.org/10.1139/P08-130. 2009. Vol. 87, № 5. P. 469-484.

188. Шен И. Принципы нелинейной оптики. 1989.

135

189. Kalashnikov V.L., Sorokin E. Soliton absorption spectroscopy // Phys. Rev. A. 2010. Vol. 81, № 3. P. 033840.

190. Him B.O.S. et al. Mid-infrared laser filaments in air at a kilohertz repetition rate // Optica. Optical Society of America, 2016. Vol. 3, № 7. P. 7-10.

191. Mitrofanov A. V. et al. Mid-infrared-to-mid-ultraviolet supercontinuum enhanced by third-to-fifteenth odd harmonics // Opt. Lett. 2015. Vol. 40, № 9. P. 2068.

192. Shumakova V. et al. Chirp-controlled filamentation and formation of light bullets in the mid-IR // Opt. Lett. 2019. Vol. 44, № 9. P. 2173.

193. Panov N.A. et al. Nonlinear transparency window for ultraintense femtosecond laser pulses in the atmosphere // Phys. Rev. A. 2019. Vol. 100, № 2. P. 023832.

194. Voronin A.A., Zheltikov A.M. The generalized Sellmeier equation for air // Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 46111.

195. Panov N.A. et al. Continuous transition from X - To O -shaped angle-wavelength spectra of a femtosecond filament in a gas mixture // Phys. Rev. A. American Physical Society, 2021. Vol. 103, № 2. P. L021501.

196. Baltuska A. et al. Third- and fifth-harmonic generationby mid-infrared ultrashort pulses:beyond the fifth-ordernonlinearity // Opt. Lett. Vol. 37, Issue 12, pp. 22682270. Optical Society of America, 2012. Vol. 37, № 12. P. 2268-2270.