Предложен новый теоретический подход к описанию нелинейно-оптического отклика протяженных газовых сред на воздействие интенсивного произвольно поляризованного многокомпонентного лазерного поля ультракороткой длительности. В частности, развита уникальная непертурбативная теория, которая основана на решении квантово-механической задачи взаимодействия одиночного атома с лазерными полями, предложена интерференционная модель, позволяющая рассчитать нелинейно-оптический отклик газовых (плазменных) сред на воздействие интенсивного лазерного поля. В рамках этой модели отклик ансамбля распределенных в среде атомов рассчитывается квантово-механически с учетом изменения параметров лазерного поля при его распространении в веществе, а также с учетом модификации оптических свойств среды при прохождении лазерного излучения. Предложенный теоретический подход был успешно апробирован на конкретных экспериментальных данных в рамках проведенных теоретико-экспериментальных исследований генерации излучения в газовых и плазменных средах. Важно отметить, что генерация гармоник высокого и низкого порядков и генерация терагерцового (ТГц) излучения рассматриваются с общих позиций: эти явления возникают в результате единого процесса движения электрона в суперпозиционном поле лазерного излучения и кулоновского потенциала атома.
Предложены и исследованы механизмы генерации гармоник высокого и низкого порядков и ТГц излучения. В частности, предложены и теоретически обоснованы способы оптимизации параметров ТГц излучения (эллиптичности, напряженности поля), генерируемого при взаимодействии газовой среды с двухчастотными лазерными полями. Впервые показано, что угол между направлениями поляризаций компонент поля является эффективным параметром, позволяющим без изменения энергии лазерных полей управлять эффективностью генерации гармоник и ТГц излучения и их поляризационными свойствами, что впоследствии было подтверждено экспериментально (в части гармоник высокого порядка). Впервые определен механизм генерации эллиптически поляризованных гармоник высокого порядка в двухчастотных ортогонально поляризованных лазерных полях и количественно объяснены соответствующие зависимости, наблюдаемые в эксперименте как в коллинеарной, так и в неколлинеарной схемах взаимодействия. Предложены новые методы управления эффективностью генерации групп гармоник за счет эффектов фазового и квази-фазового согласования. В частности, предсказан квадратичный рост эффективности генерации выделенных групп гармоник в средах, представляющих собой набор газовых струй, взаимодействующих с двухчастотными лазерными полями, образованными первой и второй гармониками лазерного источника, при возрастании его длины волны.
Предложенные методы управления эффективностью и поляризационными свойствами генерируемого излучения закладывают основы создания новых компактных (настольных) мультиспектральных (от ТГц до ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения) источников излучения ультракороткой длительности различного применения. В частности, когерентное ультрафиолетовое излучение применимо для создания литографических устройств нового поколения, необходимых для микро- и наноэлектроники, ТГц излучение применимо для сверхбыстрой передачи информации, для неинвазивной визуализации биологических, фармацевтических и композитных материалов в режиме реального времени, что позволит его использовать как для выявления и уточнения природы заболеваний, так и при создании сканеров контроля состава лекарств и создаваемых новых материалов на производствах.