Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 году проводились экспериментальные и теоретические исследования процессов и явлений, происходящих при взаимодействии сверхмощных сверхкоротких импульсов когерентного терагерцового излучения с веществом. Эксперименты проводились на базе уникальной установки, не имеющей аналогов в мире, созданной в ОИВТ РАН. Генерация импульсов ТГц излучения осуществляется методом оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов в нелинейных органических кристаллах OH1 и DSTMS. В качестве накачки ТГц кристаллов используется хром-форстеритовая фемтосекундная лазерная система, которая позволяет получить излучение на длине волны 1240 нм с длительностью импульса 80 фс и энергией до 90 мДж. Излучение с длиной волны 1240 нм является оптимальным для генерации ТГц импульсов с высокой конверсионной эффективностью (до 3%) и гауссовым пространственным распределением профиля интенсивности. Для проведения экспериментальных исследований разработан и создан измерительный стенд и система мониторирования параметров излучения в каждом лазерном импульсе. Отработаны методики измерения параметров выходного излучения – энергии, спектра импульса и его автокореляционной функции, электрооптического детектирования для измерения поля терагерцового импульса, методики “pump–probe” измерений совместно с фемтосекундным лазерным импульсом и z-сканирования для терагерцового спектрального диапазона. Проведены экспериментальные исследования силового воздействия на вещество. Впервые удалось разрушить металл мощным ТГц импульсом при однократном воздействии. Эксперименты проводились с тонкими плёнками алюминия толщиной 20 нм, напылённых на стеклянную подложку. Были проведены измерения порога разрушения пленки по падающему потоку энергии Fa. Порог разрушения в режиме однократного воздействия определялся по известной методике путем измерения зависимости радиуса r области разрушения (отверстие в пленке) от энергии лазерного импульса. Измеренные значения радиуса пучка по уровню 1/е и порога разрушения по падающей плотности энергии, соответственно, составили r0 ≈ 90 мкм и Fa ≈ 150±10 мДж/см^2. Изучение области разрушения с помощью электронной микроскопии плотностью энергии чуть ниже порога разрушения показало, что происходит отслаивание и растрескивание плёнки, а также модификация ее поверхности в области воздействия. При увеличении потока энергии ТГц импульса в центральной части пленка полностью удалена с поверхности стекла. После тщательного изучения повреждений при пороговых плотностях энергии, мы предполагаем, что тепловое расширение нагретой пленки является причиной наблюдаемых повреждений. Из-за различий в акустических сопротивлениях на границах пленки центр масс масс получает импульс в направлении от подложки. Кроме того, волна растягивающего напряжения приводит к адгезии. Отслоение пленки происходит при превышении прочности сцепления. При увеличении плотности терагерцового импульса пленка расширяется в свободное пространство и разрушается с образованием рулонного обода по краям сквозного отверстия. Обнаружено, что характер разрушения при многократном воздействии импульсами ТГц излучения на пленку с плотностью энергии ниже порога однократного разрушения резко отличается от наблюдаемой при однократном разрушении. Отличительными особенностями разрушения при многократном воздействии являются следующие. 1. Разрушения возникают при многократном воздействии в области, где плотность энергии ниже порога однократного разрушения Fa.. Плотность энергии ТГц излучения в периферийной части пятна, где еще наблюдаются разрушения, примерно в 20 раз ниже значения Fa. 2. Разрушения формируются в виде вытянутых каналов нарушения сплошности металлической пленки, ориентированных перпендикулярно вектору напряжённости электрического поля ТГц излучения. 3. Длина каналов растет с ростом числа импульсов , а ширина уменьшается по мере удаления от центра к периферии пятна. Максимальная ширина каналов в центральной части области воздействия достигает 10 мкм и уменьшается до субмикронного размера на периферии. Наибольший интерес представляет механизм инициирования процесса образования микротрещин. Предполагается, что он основан на ранее не наблюдавшемся явлении электрострикции в тонких металлических плёнках. Предложен качественный анализ этого явления. По результатам исследований подготовлена и отправлена статья в журнал Phys.Rev.Letters (в настоящее время находится на рецензии) Проведены результаты исследований воздействия мощного терагерцевого излучения на пластины высоколегированного кремния n – типа (концентрация носителей 8,7×10^16 см^(-3). Наблюдалось значительное увеличение (в 90 раз!) пропускания с увеличением напряженности электрического поля ТГц излучения в диапазоне 1,5-3,1 МВ/см. Предполагается, что такое гигантское увеличение пропускания ТГц излучения обусловлено сильным изменением подвижности носителей благодаря уменьшению времени их рассеяния. Проведен качественный анализ полученных результатов. Таким образом, впервые были получены экспериментальные данные об интенсивных терагерцовых полевых эффектах в кремнии с n-легированием. Взаимодействие субпикосекундных терагерцовых импульсов при напряженности электрического поля в диапазоне 1-3 МВ/см с легированным кремнием приводит к беспрецедентно большому увеличению его пропускания почти на два порядка. Это открывает путь к сверхбыстрым переключателям и новым электронным устройствам, управляемым полем TГц импульсов. Необходимы дополнительные эксперименты, чтобы представить реальную физическую картину наблюдаемого явления. Её количественное описание требует более сложного моделирования с использованием Максвелл - Блоховских уравнений, учитывающих реальную электронную структуру n-легированного Si и переходный характер распределения электронов под действием сильного поля ТГц излучения. По результатам работы опубликована статья в журнале Optics Letters. Проведены предварительные исследования генерации второй гармоники основного («probe») излучения лазера в прозрачной центросимметричной среде при одновременном воздействии терагерцового («pump») излучения. Измерения проводились с монокристаллическим нелегированным кремнием. В качестве терагерцового (pump) излучения использовался двухпериодный импульс в спектральном диапазоне 1-2 ТГц, длительностью 700 фс. В качестве зондирующего («probe») был использован импульс хром-форстеритовой фемтосекундной лазерной системы с длиной волны излучения 1240 нм, и длительностью импульса 80 фс. Новизна поставленной задачи заключалась в том, что на длине волны основного излучения кремний является практически прозрачным. Это позволило впервые исследовать генерацию второй гармоники в кремнии при нарушении симметрии электрическим полем терагерцевого импульса в слое толщиной в несколько микрон на выходной поверхности. Были проведены измерения зависимости сигнала второй гармоники основного излучения от амплитуды терагерцевого импульса. Результаты предварительных исследований показали нелинейную зависимость интенсивности излучения второй гармоники от напряжённости поля ТГц излучения в интервале (1 - 10) МВ/см. В настоящее время экспериментальные исследования продолжаются.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Впервые получены экспериментальные данные о динамике оптических постоянных металла (никеля), элекроиндуцированных полем мощного терагерцового (ТГц) импульса. Разработан и создан экспериментальный стенд и методика «pump-probe» измерений динамики комплексной диэлектрической проницаемости тонких пленок металлов в оптическом диапазоне спектра методом фемтосекундной интерференционной микроскопии с временным разрешением 10^-13с в условиях воздействия мощных импульсов терагерцового излучения. По результатам интерферометрических измерений амплитуды и фазы диагностического импульса на длине волны 620 нм впервые получены экспериментальные данные о динамике комплексной диэлектрической проницаемости пленочного образца никеля толщиной 20 нм в пикосекундном временном диапазоне c фемтосекундным разрешением, индуцированной электрическим полем напряженностью 18±1 МВ/см субпикосекундного ТГц импульса. Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости в течение первых 1-2 пс уменьшается по абсолютной величине, более чем в 2 раза, после чего примерно за 10 пс релаксирует к значению диэлектрический проницаемости расплава никеля. Полученные данные указывают на одновременное уменьшение модуля действительной части диэлектрической проницаемости, а также мнимой части показателя преломления во временном интервале 0 - 10 пс, что свидетельствует о значительном изменении свойств исследуемого образца, индуцированных электрическим полем мощного терагерцового (ТГц) импульса. Проведены исследования динамики изменения дальнего порядка кристаллической структуры в поверхностном слое кремния р-типа в поле терагерцевого сверхкороткого импульса напряжённостью до 20 МВ/см с помощью измерения динамики нелинейного отклика второй гармоники фемтосекундного оптического лазера, электроиндуцированной полем терагерцевого импульса. Впервые было обнаружено, что при повышении напряжённости поля больше 8 МВ/см временная форма излучения резко меняется. Временная зависимость интенсивности ВГ, не повторяет зависимость квадрата напряжённости поля от времени. Наблюдается возрастание сигнала ГВГ в первом периоде и сильное уменьшение его в остальной части ТГц импульса. Показано, что генерация электроиндуцированной второй гармоники будет обусловлена кубичной и квадратичной нелинейностями, конкурирующими по вкладу. На основании проведенных экспериментальных измерений была построена путем интегрирования временных форм зависимость энергии излучения второй гармоники от напряжённости поля, определяемой средней интенсивностью терагерцового излучения за всё время действия ТГц импульса (см. дополнительный файл). Эта зависимость хорошо иллюстрирует влияния высоких напряженностей электрических полей ТГц импульсов на объемные нелинейные восприимчивости второго и третьего порядка в кремнии. Действительно, на участке изменения напряжённости поля до 8 МВ/см нарушение симметрии структуры кремния таково, что Х(2)(Eтгц) < Х(3)(Eтгц) Eтгц и рост выхода излучения второй гармоники определяется кубичной нелинейностью. На участке изменения напряжённости поля больше 8 МВ/см доминирует квадратичная нелинейность. Изучено взаимодействие интенсивного ТГц импульса с n-легированным образцом (9•1016 см-3) кремния в условиях, недоступных для квазистационарных электрических полей. Установлено, что при электрических полях вблизи 5 МВ/см происходит просветление Si с максимальным коэффициентом пропускания по энергии  8%. Это более, чем на два порядка выше начального пропускания (0,03%) низкоинтенсивного ТГц излучения. Обнаружено, что при повышении напряженности поля увеличение пропускания сначала прекращается, а затем коэффициент пропускания спадает примерно в два раза. Исследование временной формы прошедшего импульса показало, что при полях в 7-10 МВ/см наблюдается генерация второй гармоники терагерцевого сигнала, а при максимальном поле формируется однопериодный терагерцевый импульс. Анализ полученных результатов показал, что насыщение пропускания связано с насыщением скорости столкновения при энергиях электронов выше 1,5 эВ. Коэффициент пропускания постепенно уменьшается при более высоких полях выше 7 МВ/см, что связано с наступлением ионизации электронным ударом. Ионизация происходит в тонком поверхностном слое во время первого интенсивного колебания THz поля. Это приводит к эффективному отражению и затуханию последующих колебаний поля, приводящих к формированию однопериодного ТГц импульса с резким нарастанием переднего фронта и с широким спектром. Проведены исследования нелинейной динамики носителей в n-легированном полупроводнике InGaAs и изучено её влияние на пропускание ТГц импульсов. Обнаружено, что интенсивные ТГц импульсы вызывали нелинейный отклик легированного полупроводника InGaAs, обусловленный динамикой межзонных переходов. Внутризонный нагрев определяет пропускание ТГц импульса и, следовательно, легированный полупроводник может быть хорошим кандидатом для применения в качестве насыщающегося поглотителя. Однако, межзонные эффекты, а также динамика сильного поглощения по сравнению с общей длительностью импульса должна учитываться при проектировании и оптимизации будущих оптических систем в ТГц диапазоне частот. Впервые проведены исследования силового воздействия субпикосекундных импульсов терагерцевого излучения в частотном диапазоне 1÷3 ТГц при напряжённостях электрического поля в центре фокального пятна до 20 МВ/см на тонкие пленки никеля. Измерен порог разрушения пленки никеля толщиной 20 нм на стеклянной подложке под действием одиночного субпикосекундного импульса терагерцевого излучения в частотном диапазоне 1÷3 ТГц, сфокусированного в пятно близко к дифракционному пределу. Пороговое значение плотности падающей энергии терагерцевого импульса на образец, при котором происходит разрушение (абляция) никелевой пленки, составило величину порядка 267 ± 15 мДж/см2 при напряжённости электрического поля в центре фокального пятна около 16 МВ/см. При многократном воздействии импульсов ТГц излучения, наряду с появлением разрушения в центре пятна, на периферии области, где плотность энергии в соответствии с распределением Гаусса ниже порога однократного разрушения, возникает сложная структура разрушений. Также как и в пленках алюминия, разрушения формируются в виде вытянутых каналов нарушения сплошности металлической пленки, ориентированных перпендикулярно вектору напряжённости электрического поля терагерцевого импульса. Однако, в никеле эти каналы отличаются по характеру и размерам. Объяснить такой характер разрушения пока не представляется возможным.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Были проведены исследования взаимодействия интенсивного импульса терагерцевого (ТГц) излучения с кремнием. Экспериментально обнаружен эффект самовоздействия терагерцевого излучения, связанного с нелинейным изменением комплексного показателя преломления Si. Эффект самоиндуцированного нелинейного пропускания терагерцевого импульса наблюдался при прохождении пластины легированного кремния n-типа толщиной 245 мкм с концентрацией носителей 9·10^16 см^(-3). Максимальная напряжённость электрического поля терагерцевого импульса составляла величину 20 МВ/см. Экспериментально показано, что с увеличением напряжённости электрического поля ТГц импульса более 15 МВ/см происходит резкое изменение его временной формы и спектра излучения. Из начального двухпериодного импульса образуется однопериодный импульс. Выдвинута гипотеза, что наблюдаемое явление обусловлено ударной ионизацией, которая происходит в тонком поверхностном слое в течение первого колебания ТГц импульса. Численное моделирование показало хорошее совпадение с экспериментальными данными. Полученные результаты могут быть использованы для управления формой и спектром ТГц импульса, а также для генерации однопериодного импульса ТГц с резким нарастающим фронтом и широким спектром. 2. Ранее (отчёт 2 этапа) были получены результаты экспериментальных исследований генерации второй гармоники фемтосекундного инфракрасного лазера в объёме кремния глубиной 2 мкм на выходной поверхности образца, индуцированной сильным (до 15 МВ/см) полем ультракороткого импульса ТГц излучения. Полученная экспериментальная зависимость выхода излучения ВГ от напряжённости поля во время и после воздействия ТГц импульса является откликом на изменение свойств вещества под действием импульсного сверхсильного электрического поля. На 3 этапе выполнения данного проекта был разработан механизм генерации второй гармоники оптического излучения в кремнии в поле терагерцового излучения. Показано, что характер экспериментально измеренной зависимости сложно однозначно интерпретировать. Предполагается, что симметрия кристалла в объёме кремния в течение действия ТГц импульса нарушена, и генерация ВГ будет определяться не только восприимчивостью 3 порядка, но и восприимчивостью 2 порядка. Предполагается, что экспериментально наблюдаемое насыщение выхода ВГ обусловлено кратковременным заселением зоны проводимости электронами и генерация электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации. Электронно-дырочные пары в поле ТГц-волн создают переходный ток, который является источником нелинейности. При дальнейшем увеличении интенсивности ТГц импульса ток, вызванный ударной ионизацией, увеличивается намного быстрее и достигает того же порядка, что и вклад, вызванный электрическим полем. Наличием двух вкладов можно объяснить насыщение интенсивности ВГ в сильных электрических полях в терминах деструктивной интерференции нелинейных поляризаций, вызванных электрическим полем и током. 3. Экспериментально исследовано явление вращения плоскости поляризации оптического импульса на длине волны 1240 нм в объёме центросимметричной среды (легированный кремний n-типа), индуцированное сверхкоротким терагерцевым импульсом. В экспериментах наблюдалось оптическое двулучепреломление в кремнии, наведенное терагерцевым импульсом с напряженностью электрического поля до 17 МВ/см. Наблюдаемое вращение плоскости поляризации импульса оптического излучения пропорционально квадрату напряженности электрического поля. Таким образом, при воздействии ТГц импульса на образец кремния наблюдается электрооптический эффект Керра. Впервые подобные исследования проводились при напряженности электрического поля в диапазоне от 3 до 17 МВ/см. 4. Электрооптический кристалл ZnTe является одним из полупроводников, которые часто используются в схемах электрооптического детектирования для измерения напряженности электрического поля ТГц импульсов. Целью экспериментальных исследований было получение отклика вещества на изменение электрооптических свойств кристалла ZnTe во время воздействия ТГц импульса с напряженностью электрического поля до 20 МВ/см. Были проведены измерения угла поворота плоскости поляризации зондирующего импульса с длиной волны излучения 1240 нм в зависимости от изменяющейся во времени напряженности электрического поля ТГц импульса с различной энергией. В отличие от ранее полученных в этом проекте результатов по исследованию легированного кремния n и p-типа под действием высокоинтенсивных ТГц импульсов, временная форма не претерпевает существенных изменений (т.е. количество максимумов и минимумов сохраняется), но наблюдается сдвиг по времени на величину t=115 фс при энергиях ТГц импульсов выше 29 мкДж. Оценки показывают, что наблюдаемый временной сдвиг соответствует изменению показателя преломления кристалла на величину 0.035. Таким образом, воздействие электрических полей ТГц импульсов с напряженностью до 20 МВ/см приводит к изменению оптических свойств кристалла, как и в случае воздействия на кремниевые образцы. 5. Разработана новая экспериментальная методика, позволяющая измерить пространственное распределение импульса ТГц излучения в фокальной плоскости параболического зеркала, основанная на генерации второй гармоники лазерного излучения в центросимметричных кристаллах. Представленная методика может быть применена для определения размера терагерцевого пучка в фокальной плоскости фокусирующего элемента в схемах pump-probe измерений, в которых используется излучение ТГц импульсов.