Письма в ЖЭТФ, том 115, вып. 11, с. 699 - 702

Нарушение осевой симметрии терагерцового излучения

плазмы одноцветного филамента

Г. Э. Ризаев⁺¹⁾, Д. В. Мокроусова⁺, Д. В. Пушкарев⁺, Д. Е. Шипило⁺, И. А. Николаева^+∗, Н. А. Панов^+∗,

Л.В.Селезнев⁺, О.Г.Косарева^+∗, А.А.Ионин⁺

⁺Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия

^∗Физический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 14 апреля 2022 г.

После переработки 22 апреля 2022 г.

Принята к публикации 25 апреля 2022 г.

Измерены двумерные диаграммы направленности терагерцового излучения, генерируемого в плазме

лазерного филамента, в различных диапазонах терагерцового спектра. Показано, что в низкочастотной

области 0.1-0.5 ТГц излучение распространяется в конус с минимумом на оси. На больших частотах

∼1 ТГц диаграмма направленности терагерцового излучения существенно зависит от поляризации ла-

зерного импульса. Так, при линейной поляризации осевая симметрия картины нарушается: излучение

распространяется в два максимума, расположенных на оси, перпендикулярной направлению поляриза-

ции лазерного излучения, а в случае циркулярной поляризации осесимметричный характер распределе-

ния терагерцового излучения сохраняется.

DOI: 10.31857/S1234567822110040, EDN: ilgeiv

Терагерцовое излучение плазменных каналов [1],

ла 90 фс, диаметр лазерного пучка - 8 мм FWe^-1M.

формирующихся при филаментации фемтосекунд-

На выходе лазерной системы излучение имело

ных лазерных импульсов [2, 3] в воздухе, изучает-

горизонтальную поляризацию. Поворот плоскости

ся с середины 1990-х гг. Во многих работах сообща-

поляризации осуществлялся с помощью полувол-

лось, что терагерцовое излучение плазменных ка-

новой пластинки, преобразование поляризации

налов одноцветного филамента распространяется в

в круговую (эллиптичную)

- с использованием

конус с минимумом на оси [4, 5]. В указанных экс-

четвертьволновой пластинки. Для симметриза-

периментальных исследованиях применялись суще-

ции пучок проходил через диафрагму диаметром

ственно разные методики измерения: узкополосный

6 мм, затем направлялся на сферическое зеркало с

гетеродинный детектор, чувствительный к частоте

фокусным расстоянием 50 см, что соответствует чис-

около 0.1 ТГц [4] и болометр с рабочим диапазоном

ловой апертуре NA = 0.006. Энергия импульса после

частот от 0.1 до 3 ТГц [5]. Совершенно иначе выгля-

диафрагмы составляла 1.5 мДж. В области филамен-

дит угловое распределение терагерцового излучения,

тации в воздухе формировался плазменный канал,

полученное в работах [6, 7], - оно представляет собой

являвшийся источником терагерцового излучения,

два максимума, расположенных на вертикальной оси

которое регистрировалось сверхпроводниковым

при горизонтальной поляризации импульса накачки.

NbN болометром (Сконтел) с рабочим диапазоном

Во многих работах по отдельности рассматривались

от 0.1 до 6 ТГц. Перед входным окном болометра

и спектр терагерцового излучения [8], или его диа-

размещалась тефлоновая пластина толщиной 3 мм,

грамма направленности [4]. Однако угловое распре-

отсекающая оптическое излучение, и узкополосные

деление отдельных спектральных компонент изучено

терагерцовые фильтры для регистрации сигнала в

сравнительно мало [9]. Поэтому целью нашей работы

определенных спектральных диапазонах [9, 10].

стало измерение разрешенных по спектру двумерных

Для регистрации двумерных угловых распреде-

распределений терагерцового излучения.

лений терагерцового излучения THz независимо из-

Эксперименты проводились на титан-сапфировой

менялись два угла (см. рис. 1). Горизонтальный угол

лазерной системе с центральной длиной волны

HA варьировался вращением поворотного столика,

740 нм (Авеста). Длительность импульсов составля-

на котором был установлен болометр B, в плоско-

сти оптического стола вокруг оси, проходящей че-

¹⁾e-mail: rizaev@lebedev.ru

рез фокус. Изменение вертикального угла VA до-

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 11 - 12

2022

699

2^∗

700

Г. Э. Ризаев, Д. В. Мокроусова, Д. В. Пушкарев и др.

Рис. 2. (Цветной онлайн) Нормированное угловое

Рис. 1. (Цветной онлайн) Схема эксперимента. Крас-

распределение терагерцового излучения на частоте

ным показано распространение лазерного пучка, оран-

0.3 ТГц

жевым - область филаментации. MP и MS - плоское

поворотное и сферическое фокусирующее зеркала; HA

что полностью соответствует ранее наблюдавшейся

и VA - горизонтальный и вертикальный углы; B - бо-

картине [4, 5]. Несмотря на существование одиночно-

лометр; THz - терагерцовое излучение; f - положение

го плазменного канала, распределение терагерцового

геометрического фокуса. Белыми прямыми показаны

оптическая ось лазерного пучка при нулевых углах HA

излучения было неоднородно и обладало локальны-

и VA, ее проекция на оптический стол, а также проек-

ми минимумами и максимумами.

ция на оптический стол прямой, соединяющей фокус f

В отличие от низкочастотных компонент терагер-

и входное окно болометра

цового излучения, в области 1 ТГц излучение име-

ло два ярко выраженных максимума (рис. 3а), рас-

стигалось вращением оптической оси лазерного пуч-

полагающихся на вертикальной оси, что согласуется

ка вокруг фокуса: фокусирующее зеркало перемеща-

с результатами работ [6, 7]. Как и в этих работах,

лось по вертикальной оси, поворотное плоское зер-

представленные на рис. 2 и 3a результаты получены

кало MP и фокусирующее сферическое зеркало MS

при горизонтальной поляризации лазерного пучка.

переюстировались, чтобы вернуть фокус f лазерно-

При повороте поляризации лазерного пучка на 90^◦

го пучка в прежнее положение. Оптическая схема

распределение терагерцового излучения на частоте

обеспечивала минимальный угол падения на сфери-

1 ТГц поворачивается вслед за ней (ср. рис. 3a, b), а

ческое зеркало в целях уменьшения наведенного им

при эллиптической поляризации накачки (соотноше-

астигматизма.

ние осей эллипса 0.6) приобретает кольцевую струк-

До начала экспериментов по регистрации тера-

туру (рис.3c).

герцового излучения мы убедились, что в наших

К настоящему времени разработан ряд моделей

условиях при энергии импульса 1.5 мДж образуется

терагерцовой генерации одноцветным филаментом.

одиночный плазменный канал. Для этого в области

Работы [11, 12], в которых нелинейным механизмом

филаментации помещался кварцевый клин, изобра-

терагерцовой генерации полагались световое давле-

жение распределения плотности энергии лазерного

ние [11] либо пондеромоторная сила [12], предсказы-

пучка на котором с помощью линзы переносилось

вают осесимметричное угловое распределение тера-

на ПЗС-матрицу. Поперечные профили снимались

герцового излучения на всех частотах независимо от

с шагом 1 см вдоль оси распространения пучка. На

поляризации оптического импульса накачки. В моде-

протяжении около 3 см перед геометрическим фоку-

лировании [13], проведенном в условиях эксперимен-

сом в поперечном сечении наблюдался яркий фила-

та [6, 7], удалось получить модулированную кольце-

мент, окруженный низкоинтенсивным резервуаром,

вую структуру в двумерном распределении плотно-

что свидетельствовало о существовании одиночного

сти энергии терагерцового излучения одноцветного

плазменного канала.

филамента. Максимумы плотности энергии в [13] бы-

В ходе экспериментов были получены угловые

ли расположены на прямой, перпендикулярной поля-

распределения терагерцового излучения на частотах

ризации фемтосекундной накачки. Однако в числен-

0.1, 0.3, 0.5, 1 ТГц. Так, на рис. 2 показано распре-

ном моделировании [13] модуляция кольцевой струк-

деление терагерцового излучения на 0.3 ТГц. Изме-

туры составляла всего ∼ 20 %, тогда как провал меж-

ренное распределение на частотах 0.1-0.5 ТГц име-

ду лепестками в работах [6, 7] и наших эксперимен-

ло кольцевую структуру, т.е. терагерцовое излуче-

тах на частотах ∼ 1 ТГц существенно глубже. Тем са-

ние распространялось в конус с минимумом на оси,

мым, современные модели генерации терагерцового

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 11 - 12

2022

Нарушение осевой симметрии терагерцового излучения...

701

Рис. 3. (Цветной онлайн) Нормированное угловое распределение излучения на частоте 1 ТГц, полученное для гори-

зонтальной (а), вертикальной (b) и эллиптической (с) поляризации лазерного пучка. Белым показана поляризация

лазерного импульса

излучения одноцветным филаментом не воспроизво-

лучения, спектр которого лежит в окрестности этой

дят зарегистрированные нами его двумерные угло-

частоты. Рассмотренные выше два типа угловых рас-

вые распределения.

пределений терагерцового излучения одноцветного

Таким образом, в нашей работе были впервые

филамента разумно соответствуют зарегистрирован-

экспериментально исследованы двумерные угловые

ным в данной работе на низких и высоких частотах.

распределения излучения в различных диапазонах

Работа поддержана грантом Российского фон-

терагерцового спектра. Показано, что характер рас-

да фундаментальных исследований # 20-02-00114.

пределений качественным образом меняется при пе-

Работа Д. Е. Шипило поддержана стипендией

реходе от низкочастотной части терагерцового спек-

Президента РФ молодым ученым и аспирантам

тра к высокочастотной. Если излучение с частотой

(СП-3450.2022.2). Работа И. А. Николаевой поддер-

0.1-0.5 ТГц имеет коническую диаграмму направлен-

жана стипендией Фонда развития теоретической

ности с минимумом на оси независимо от поляри-

физики и математики “БАЗИС” (21-2-10-55-1).

зации фемтосекундного импульса, то при переходе

к частотам ∼1 ТГц в диаграмме направленности на-

1. H. Hamster, A. Sullivan, S. Gordon, W. White, and

блюдаются два ярко выраженных максимума на пря-

R. W. Falcone, Phys. Rev. Lett. 71, 2725 (1993).

мой, перпендикулярной плоскости поляризации ли-

2. S. L. Chin, S. A. Hosseini, W. Liu, Q. Luo, F. Théberge,

нейно поляризованного лазерного излучения. При

N. Aközbek, A. Becker, V. P. Kandidov, O. G. Kosareva,

переходе к циркулярной поляризации излучение в

and H. Schroeder, Can. J. of Phys. 83, 863 (2005).

дальней зоне распространяется в виде полого конуса,

3. A. Couairon and A. Mysyrowicz, Phys. Rep. 441, 47

подобно наблюдавшемуся на более низких частотах.

(2007).

Полученные нами результаты могут прояснить

4. C. D’Amico, A. Houard, M. Franco, B. Prade,

видимое несоответствие диаграмм направленности

A. Mysyrowicz, A. Couairon, and V. T. Tikhonchuk,

терагерцового излучения одноцветного филамента,

Phys. Rev. Lett. 98, 235002 (2007).

зарегистрированных в работах [4] и [6]. В экспери-

5. A. P. Shkurinov, A. S. Sinko, P. M. Solyankin,

ментах [4] измерялись угловые распределения низ-

A. V. Borodin, M. N. Esaulkov, V. V. Annenkov,

кочастотной (∼ 0.1 ТГц) компоненты электромагнит-

I. A. Kotelnikov, I. V. Timofeev, and X.C. Zhang, Phys.

ного излучения, и терагерцовое излучения имело ко-

Rev. E 95(4), 043209 (2017).

ническую диаграмму направленности. В работе [6]

6. R. A. Akhmedzhanov, I. E. Ilyakov, V. A. Mironov,

регистрация осуществлялась без какой-либо спек-

E. V. Suvorov, D. A. Fadeev, and B. V. Shishkin,

тральной селекции, однако независимые измерения

Radiophys. Quantum Electron. 52(7), 482 (2009).

спектра терагерцового излучения, приведенные в

7. E. Suvorov, R. Akhmedzhanov, D. Fadeev, I. Ilyakov,

этой работе, показали, что он достигает максимума

V. Mironov, and B. Shishkin, J. Infrared Millim.

на частоте около 1 ТГц. Тем самым, диаграммы на-

Terahertz Waves 32(10), 1243 (2011).

правленности (имеющие вид двух максимумов, рас-

8. Y. Zhang, Y. Chen, C. Marceau, W. Liu, Z.-D. Sun,

положенных на прямой, перпендикулярной поляри-

S. Xu, F. Théberge, M. Châteauneuf, J. Dubois, and

зации оптической накачки) измерены в [6] для из-

S. L. Chin, Opt. Express 16, 15483 (2008).

Письма в ЖЭТФ том 115 вып. 11 - 12

2022