Филаментация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах, страница 4

4. Динамика радиальных распределений плотности энергии с расстоянием z при фокусировкеимпульса титан-сапфирового лазера в ячейку с водой при энергии лазерного импульса 0.4 мкДжВ параграфе 3.4 сформулированы выводы по Главе 3.В Главе 4 исследуется множественная филаментация мощного фемтосекундного14лазерного излучения, развивающаяся вследствие пространственной неустойчивостиинтенсивности светового поля в среде с кубичной нелинейностью. Обобщениерезультатов численного исследования излучения с начальными возмущениями напоперечном профиле импульса позволили сформулировать сценарий множественнойфиламентации,показатьеенестабильность.Установлено,чтонестабильностьмножественной филаментации является причиной стохастического замирания сигналафлуоресценции молекулярного азота, накачиваемого множеством филаментов мощногофемтосекундного лазерного излучения.В параграфе 4.1 на основе численного моделирования распространения лазерногоизлучения в воде сформулирован сценарий множественной филаментации мощногофемтосекундного лазерного излучения, состоящий из следующих стадий: (1) независимоеразвитие начальных возмущений интенсивности на пространственном профиле пучка вразвитые филаменты, образующие кольцевые структуры, расходящиеся вокруг них;(2) интерференция колец, которые расходятся в плоскости поперечного сечения отпервоначально образованных «родительских» филаментов и возникновение возмущенийна поперечном распределении интенсивности в результате этой интерференции;(3) появление «дочерних» филаментов из образовавшихся возмущений; (4) «конкуренция»филаментов, проявляющаяся в перекачке энергии от одного филамента к другому;(5) «выживание» одного (или нескольких) филаментов в результате конкуренции.

Нарис. 5 представлена картина последовательного развития нескольких филаментов, всоответствии со стадиями изложенного сценария.15(а)(б)y, мм0.50-0.5-0.5(в)(г)(д)(е)00.500.5x, ммy, мм0.50-0.5y, мм0.50-0.5-0.50x, мм0.5-0.5x, ммРис. 5. Поперечные распределения плотности энергии на различных расстояниях z: (а) — z = 0 (начальныеусловия), (б) — z = 0.2ldifr независимое развитие двух «родительских» филаментов, (в, г) — z = 0.3ldifrрождение «дочернего» филамента, как результат взаимодействия кольцевых структур «родительских»филаментов, (д) — z = 0.45ldifr начало «умирания» верхнего филамента, (е) — z = 0.55ldifr «гибель» верхнегофиламента.

Величина ldifr составляет 37.5 смВ параграфе 4.2 рассмотрена нестабильность множественной филаментации.Постановкаэтихисследованийсвязанасэкспериментомпоинициированнойфиламентами флуоресценции молекулярного N2 и однократно ионизированного N +2 азота.В эксперименте обнаружена нестабильность сигнала флуоресценции от выстрела квыстрелу. Схема эксперимента представлена на рис.

6. Лазерный импульс на длине волны800 нм длительностью по половине высоты 45 фс, энергией 40 мДж и диаметром 25 ммпосле выходного окна вакуумного компрессора системы усиления на титан-сапфирераспространялся на трассе длиной около 100 м внутри здания (см. рис. 6). Скоростнойфотоприемник, временная разрешающая способность которого составляет 1 нс, чтопозволяет определять положение источника излучения с точностью 30 — 60 см,использовался для измерения сигнала флуоресценции молекулярного азота (линии вокрестности 400 нм) с расстояний до 100 м.

Обнаружено стохастическое изменениесигнала флуоресценции от уровня шумов до максимального значения, которое, какоказалось, не связано с флуктуацией энергии лазерного излучения на выходе системыусиления.16Вакуумныйкомпрессор10 mКоридорДетектор УФРис. 6. Эксперимент по наблюдению нестабильности сигнала флуоресценции молекулярного азота,сопровождающей филаментацию фемтосекундного импульса на длине волны 800 нм длительностью 45 фс,энергией 40 мДж и диаметром 25 ммНа основе результатов численного моделирования лабораторного экспериментаустановлено, что стохастическое изменение сигнала флюоресценции объясняетсямножественной филаментацией в воздухе, которая развивается следующим образом:небольшое стохастическое изменение положения начальных возмущений на профилепучка (и, как следствие, «родительских» филаментов) качественно меняет процессобразования «дочерних» филаментов, причем это изменение носит стохастическийхарактер.

Поскольку возбуждение молекул азота происходит в областях высокойинтенсивности светового поля в филаментах, то от выстрела к выстрелу образуетсяразличное число возбужденных молекул и ионов азота в случайно расположенныхобластях. В результате, и флуоресценция этих молекул будет проходить стохастическимобразом. Таким образом, удалось объяснить результаты эксперимента, изложенные выше..В параграфе 4.3 показано, что нестабильность множественной филаментацииприводит к существенной флуктуации интегральной по сечению (линейной) плотностисамонаведенной лазерной плазмы.В параграфе 4.4 сформулированы выводы по Главе 4.В Главе 5 приведены результаты изучения генерации суперконтинуума прифиламентации мощных фемтосекундных лазерных импульсов.

Изложена физическаякартина формирования конической эмиссии как следствие фазовой самомодуляциисветового поля в пространстве и времени. Исследованы частотно-угловые спектрысуперконтинуума при множественной филаментации.В параграфе 5.1 исследован частотно-угловой спектр излучения фемтосекундногоимпульса в филаменте. Схема эксперимента приведена на рис.

7. Апертура диаметром4 мм размещалась на оси пучка на расстоянии z = z0 от выхода лазерной системы. Онаблокировала излучение конической эмиссии, генерация которой происходила при z < z0.17На расстоянии z = z0 + 2 м располагался непрозрачный экран, в роли которого выступалолезвие бритвы. Он прерывал филамент, не оказывая влияние на распространие излученияв форме конической эмиссии. Измерения угла расходимости конической эмиссиипроводились на расстоянии z = z0 + 20 м от выхода лазерной системы, где размещалсябелый экран, перед которым размещались интерференционные светофильтры длявыделения конкретной длины волны λ.

Измерения проводились при λ = 500, 550, 600, 650,700, 750 нм. Установлено, что угол расходимости излучения конической эмиссии вантистоксовой области спектра возрастает с уменьшением длины волны в качественномсогласии с экспериментальными данными. В стоксовом спектральном диапазонеλ > 800 нм кольцевых структур не наблюдалось. При численном моделировании такжеполучены кольцевые структуры для излучения конической эмиссии на разных длинахволн в антистоксовой области, причем угол, под которым распространяется этоизлучение, возрастает с уменьшением длины волны излучения (см.

рис. 8).коническаяэмиссияинтерференционныйфильтрапертура4 ммфиламентлезвиебритвыэкранСпектральная плотность мощности, lg(S/Smax)Рис. 7. Экспериментальная схема для определения частотно углового спектра излучения суперконтинуума,сопровождающего филаментацию0700 нм750 нм800 нм-2-4-6-8-2-1012Угол, градРис. 8.

Угловые распределения частотных компонент спектра лазерного импульса длительностью 138 фс иэнергией 8.1 мДж в воздухе на расстоянии z = 50 м , соответствующих длинам волн 700 нм (штрихи),750 нм (штрихпунктирная кривая) и 800 нм (сплошная кривая). Спектральная плотность мощностиприведена в логарифмическом масштабе lg (S(λ, θ)/Smax), где Smax — ее максимальное значение приλ = 800 нмВ параграфе 5.2 показано, что излучение суперконтинуума распространяется как в18форме конической эмиссии, так и на оси филамента (см.

рис. 8). Установлена связь междувременными и пространственными градиентами фазы излучения, как источникамипространственного и спектрального уширения импульса.В параграфе 5.3 показано, что при множественной филаментации происходитинтерференция колец конической эмиссии коротковолновой части спектра излучениясуперконтинуума,расходящихсявокругкаждогоизфиламентов(рис. 9а).Вдлинноволновой области оно распространяется в центрах филаментов (рис. 9б).Результаты эксперимента находятся в качественном согласии с экспериментом пораспространению мощного фемтосекундного импульса в воздухе.

В экспериментенаблюдалось формирование множества филаментов, каждый из которых был источникомизлучениясуперконитуума,котороедетектировалосьCCD-камерой.Переднейрасполагался светофильтр для регистрациия излучения суперконтинуума на конкретнойдлине волны.(б)(а)y, мм0.180.00-0.18-0.18 0.00 0.18-0.18 0.00 0.18x, смx, смРис. 9. Пространственные распределения плотности энергии излучения суперконтинуума (а) вкоротковолновой части спектра (750 нм), (б) — в длинноволновой (850 нм). Центральная длина волнысоставляет 800 нмВ параграфе 5.4 сформулированы выводы по Главе 5.В Главе 6 рассмотрены возможности управления филаментацией с помощьюмасштабирования пучка, при совместном изменении диаметра пучка и фазовоймодуляции импульса. Исследован метод формирования упорядоченной квадратнойматрицы филаментов в условиях амплитудно-фазовых искажений фронта пучкапосредством наложения на излучение поглощающей сетки квадратного сечения.Впараграфе 6.1даноописаниеэксперимента,проведенноговусловияханалогичной представленной на рис.

6 эксперимента, по увеличению и стабилизациисигнала флуоресценции молекулярного N2 и однократно ионизированного N +2 азота приуменьшении диаметра пучка на выходе лазерной системы. При уменьшении диаметрапучка в три раза сигнал флуоресценции стабилизировался и возрастал примерно на 3порядка (см. рис. 10)192000(б)Сигнал флуоресценции, отн. ед.(а)150010005000010203040506070Длина распространения, м8090420-20102030405060708090Длина распространения, мРис. 10. Усредненный по 300 выстрелам лазерной системы сигнал флуоресценции молекулярного иоднократно ионизированного азота.

(а) — больший пучок (диаметр 25 мм), (б) — меньший пучок (диаметр8 мм)При моделировании методом статистических испытаний показано, что энергия вобласти флуоресценции, т.е. в той области, где высока плотность энергии, и, какследствие, наиболее интенсивно идут различные нелинейно-оптические процессы, в томчисле, и вызывающие дальнейшую флуоресценцию среды, стабилизируется и возрастает.Так, при уменьшении диаметра пучка от 2.2 до 1.4 мм энергия филамента в приосевойобласти возрастает от примерно 3% от энергии начального импульса до примерно 25%.При этом ее относительный разброс уменьшается примерно втрое: со 100% до 30%(см.