Филаментация фемтосекундного лазерного излучения в прозрачных средах, страница 5

рис. 11). Количество филаментов как в случае большего, так и меньшего пучков неменяется, однако при уменьшении размеров пучка возрастает средний диаметрфиламента. Это качественно объясняет обнаруженный в эксперименте рост сигналафлюоресценции при уменьшении диаметра пучка.10(a)40Wbunch/W0, %Wbunch/W0, %5030201064200010(б)84080120z, см16020002404080120z, см160200240Рис. 11. Средняя энергия в области флуоресценции. (а) соответствует филаментации пучка меньшегодиаметра, (б) — большего диаметраВ параграфе 6.2 установлена возможность позиционирования филаментов назаданном расстоянии при распространении фазомодулированных фемтосекундныхимпульсов различного диаметра и длительности.

Для конкретности выбраны дваимпульсных излучения: большой радиус пучка а0 = 1.5 мм и небольшая фазоваямодуляция τp = 100 фс (широкий короткий импульс), другой, с меньшим радиусом20а0 = 1 мм, и большей длительностью τp = 200 фс (узкий длинный импульс). Длительностьспектрально ограниченного импульса для обоих случаев была одинаковой и составляла2τ0 = 54 фс. Плазменные каналы, полученные в результате численного моделирования вобоих случаях, показаны на рис. 12. Начало каналов находится примерно на одинаковомрасстоянии от выхода из лазерной системы z ≈ 0.7 м.

При этом каналы в случае широкогокороткого импульса образуются практически независимо относительно далеко друг отдруга, в то время как в случае длинного импульса образуется плотный пучок филаментов.При распространении излучения в виде длинного импульса с малым диаметром пучкапроисходит рост энергии в области флуоресценции и линейной плотности плазмы посравнению со случаем короткого импульса с большим диаметром пучка.Рис. 12. Плазменные каналы многих филаментов для (а) узкого длинного импульса, и (б) широкогокороткого импульса. Наиболее протяженный и широкий канал соответствует случаю (а)Впараграфе 6.3продемонстрированавозможностьпространственнойрегуляризации пучка филаментов в поперечном сечении импульса при использованиипоглощающей сетки после выхода лазерной системы.

Эксперимент (см. рис. 13) проведенна установке университета Лаваль в Канаде. Излучение титан-сапфирового лазера надлине волны 810 нм длительностью импульсов 42 фс, энергией до 15 мДж, радиусомпучка 4 мм распространялось в кювете с метанолом длиной 1 см.

Для регистрациифиламентов на выходном окне кюветы использовалась CCD-камера, перед которойпомещалось узкополосное диэлектрическое зеркало, отсекающее излучение на длиневолны лазера, и фильтр для выделения коротковолновой ветви направленного излучениясуперконтинуума,сопровождающегофиламентацию.Дляполученияслучайныхвозмущений интенсивности перед входным окном кюветы на расстоянии 102 — 120 мм21располагался рандомизатор из полиэтиленовой пленки со случайным распределениемкоэффициентапропускания.Относительныефлуктуацииинтенсивностипослерандомизатора достигали в среднем 60%, их пространственный масштаб лежал винтервале 25 — 140 мкм. Пространственная регуляризация множественной филаментацииосуществлялась сеточным транспарантом с периодом 240 мкм и штрихами шириной20 мкм.

Расстояние между сеткой и входным окном кюветы менялось от 5.5 до 43 мм сшагом 2 мм. Установлено, что филаменты образуются в окрестности центров ячеек сеткикак в отсутствие, так и при наличии амплитудно-фазовых возмущений (см. рис. 14).СеткаКювета с метанолом1см, P cr=4⋅10 6Вт800нмзеркалоЗеленыйфильтрF=5смZс300 ммФотодетекторND фильтр0 ммРис. 13. Экспериментальная установка по наблюдению формирования упорядоченной картинымножественной филаментации при использовании поглощающей сетки на выходе лазерной системыРис. 14. Картина расположения филаментов в поперечном сечении импульса энергией 2 мДж,длительностью 42 фс, регистрируемая в зеленом свете на выходном окне кюветы с метанолом:«стохастическая» множественная филаментация с рандомизатором на расстоянии 102 мм перед кюветой(а), «периодическая» — с сеточным транспарантом на расстоянии 13.5 мм перед кюветой (б),«регуляризованная» — с рандомизатором и сеткой на указанных выше расстояниях (в)В параграфе 6.4 сформулированы выводы по Главе 6.В Главе 7 исследовано явление нелинейного самосжатия импульса до несколькихколебаний светового поля при филаментации.

Определена оптимальная апертура длярегистрациисжатогоимпульса.Показанавозможностьустойчивойгенерациисверхкоротких импульсов при оптимизации диаметра апертуры на выходе лазернойсистемы и давления газовой среды, в которой развивается филаментация.В параграфе 7.1 представлено описание эксперимента, поставленного на основепредварительногочисленногомоделированияавторомпроцессараспространенияимпульса в филаменте и генерации суперконтинуума в воздухе. Схема эксперимента22представлена на рис. 15. Формирующий филамент спектрально ограниченный лазерныйимпульсимелспектральнаяпараметры:ширинадлина(23 ± 2) нм,волныэнергияλ0 = 805 нм,W0 = 4 мДж,длительность(эти(55 ± 5) фс,параметрыбудутиспользованы при моделировании).

С помощью телескопа, состоящего из линзы сфокусным расстоянием 4.56 м и сферического диэлектрического зеркала с фокуснымрасстоянием –1 м, излучение сжималось до диаметра 1.2 ± 0.2 мм по уровню 1/2 отмаксимума плотности энергии излучения и выводилось на воздушную трассу (ее началоz = 0 соответствует поверхности сферического зеркала телескопа) для формированияодиночного филамента. Длина трассы составляла 7 м. Установлено, что энергиясуперконтинуума в апертуре регистрации сначала возрастает, а затем уменьшается в связис расходимостью излучения в форме конической эмиссии.1направление распространения z23456Рис.

15. Схема измерения спектра излучения в филаменте: 1 — кварцевый клин, 2 — диафрагма, 3 —диэлектрическое зеркало, отражающее излучение в диапазоне 750 — 850 нм, 4 — нейтральныесветофильтры, 5 — внеосевое параболическое зеркало с алюминиевым покрытием, 6 — волоконныйспектрометр или пироэлектрический датчикВ параграфе 7.2 приведены результаты численного моделирования процессаформирования импульса длительностью ∼5 фс с плоским распределением фазыспектральных компонент в диапазоне около 80 нм с центральной длины волны 800 нм.Установлено, что оптимальным диаметром апертуры для регистрации самосжатого вфиламенте импульса является 100 мкм.

Для иллюстрации этого на рис. 16 показаназависимость длительности импульса при апертуре регистрации 100 мкм (а) и 200 мкм (б).В первом случае длительность импульса в апертуре практически не отличается от егодлительности на оси, достигая 5 фс, тогда как во втором удается добиться минимальнойдлительности около 20 фс.2350(б) апертура диаметром 200 мкмДлительность импульса τFWHM, фсДлительность импульса τFWHM, фс(а) апертура диаметром 100 мкм60в апертурена оси40302010005010015020060504030201000Расстояние распространения z, см50100150Расстояние распространения z, см200Рис. 16. (а, б) — зависимость длительности (сплошная немаркированная кривая) и от расстояния z дляапертур диаметром 100 и 200 мкм соответственно.

Также на (а, б) штриховой кривой показана зависимостьдлительности импульса на оси филамента (при r = 0)В параграфе 7.3 на основе результатов эксперимента и численного моделированияпоказана возможность устойчивого детектирования импульсов из нескольких колебанийполя при оптимизации давления аргона в кювете. Оптимальной с точки зрениярегистрации сжатых в филаменте импульсов является апертура минимального диаметрана выходе лазерной системы, после прохождения через которую в импульсе содержится1 — 3 критических мощности самофокусировки.

Это приводит к формированию одногофиламента, уединенный сжатый импульс в котором существует десятки сантиметров.Обнаружено удовлетворительное согласие экспериментальных и расчетных (в условияхэксперимента) результатов.В параграфе 7.4 сформулированы выводы по Главе 7.ВГлаве 8разработанамодельполяризационногосамовоздействияикроссвзаимодействия световых полей в филаменте. Проведено сравнение характеристиксоздаваемых излучеием с линейной и циркулярной поляризацией.

Показана устойчивостьэтих поляризационных состояний. Исследовано формирование и развитие эллиптическойполяризациивимпульсевторойгармоники,распространяющемсясовместносформирующим филамент импульсом основной частоты.Впараграфе 8.1разработанавекторная(вциркулярномбазисе)модельраспространения, самовоздействия и кроссвзаимодействия световых полей в филаменте.Модель, построенная на основе огибающей, позволяет описывать двулучепреломлениепри вырожденном четырехволновом смешении импульсов первой (формирующейфиламент) и второй гармоник фемтосекундного лазерного излучения.В параграфе 8.2 показано, что в высокоинтенсивном филаменте линейное ициркулярное состояния поляризации устойчивы: при небольших отклонениях степениэллиптичности они восстанавливаются.

Интенсивность в филаменте, сформированном24импульсом с циркулярной поляризацией, примерно в 1.5 раза выше, чем в случаелинейной поляризации (120 и 180 ТВт/см2 соответственно).В параграфе 8.3 исследовано наведенное полем филамента (первая гармоника)двулучепреломлениевторойгармоники.Обнаруженоявлениекроссфокусировкиизлучения второй гармоники полем филамента (см. рис. 17а, б). Показано, что изменениесостояния поляризации излучения импульса второй гармоники сначала развивается вцентре пучка (см. рис.