Влияние параметров фемтосекундного лазерного импульса на филаментацию в атмосфере

На правах рукописиФёдоров Владимир ЮрьевичВлияние параметров фемтосекундноголазерного импульса на филаментацию ватмосфере01.04.21 — Лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква — 2010Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имениМ. В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кандидов Валерий ПетровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Крайнов Владимир Павлович,МФТИ, Москвадоктор физико-математическихВоробьев Валерий Васильевич,ИФА РАН, МоскваВедущая организация:наукУчреждение Российской академии наук«Физический институт имени П.

Н. Лебедева РАН»Защита состоится 21 октября 2010 года в 1730 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 в МГУ имени М. В. Ломоносова по адресу:11991 ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ, дом 1, строение 62, корпуснелинейной оптики, аудитория имени С. А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М. В. ЛомоносоваАвтореферат разослансентября 2010 годаУчёный секретарь диссертационного совета Д 501.001.31, кандидат физикоматематических наук, доцентТ.

М. Ильинова11.1Общая характеристика работыАктуальность темыДиссертационная работа посвящена изучению распространения мощных фемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере в условиях нелинейно-оптического взаимодействия со средой. В экспериментах, посвящённых исследованию этой проблемы, можно наблюдать, что первоначальномалая интенсивность лазерного импульса растёт в процессе его распространения, достигая величины 1013 –1014 Вт/см2 , после чего, рост интенсивности останавливается.

При этом, высокая интенсивность лазерногоимпульса в эксперименте регистрируется на протяжении нескольких десятков метров вдоль оси распространения. Экспериментальные данныесвидетельствуют о том, что в следе лазерного импульса образуется плазменный канал с концентрацией электронов 1016 –1017 см−3 . Такой тип распространения лазерного импульса был назван филаментацией, а тот участок вдоль оси распространения, при прохождении которого лазерныйимпульс образует плазменный канал, называется термином «филамент».Филаментация сопровождается значительным уширением спектра лазерного импульса, которое отражает сильное искажения его временного профиля. Уширение спектра импульса происходит как в коротковолновуюобласть спектра, так и в длинноволновую. Происходит генерация белогосвета — суперконтинуума.

Так, например, в экспериментах по филаментации импульса на длине волны 800 нм ширина спектр суперконтинуумабыла зарегистрирована в диапазоне от 230 нм до 4.5 мкм.Физические процессы, приводящие к образованию филаментов прираспространении в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов, в настоящий момент достаточно хорошо изучены. За образование филамента отвечают, в основном, два нелинейно-оптических эффекта. Первый изних — это оптический эффект Керра, который приводит к самофокусировке излучения. Второй — это ионизация газовых компонент воздуха,которая развивается по достижении порога ионизации при увеличенииинтенсивности лазерного импульса вследствие самофокусировки. Уменьшение локального показателя преломления в наведённой лазерной плазмеприводит к дефокусировке излучения.

Динамический баланс керровскойсамофокусировки и дефокусировки в наведённой лазерной плазме приводит к образованию протяжённого филамента.Явление филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов может быть использовано во многих приложениях атмосферной оптики. Среди них: удаленное зондирование окружающей среды, спектроскопия поверхностей удаленных мишеней, управление высоковольтнымиразрядами и создание динамических волноводов для передачи СВЧ из-3лучения. Однако, на сегодняшний день остаётся ряд нерешённых фундаментальных и прикладных проблем, которые не позволяют в полной мереиспользовать явление филаментации в приложениях.К настоящему времени, большинство экспериментов по филаментации фемтосекундных импульсов в воздухе выполнено с помощью лазерана титан-сапфире с длиной волны излучения 790–810 нм. Вместе с тем, известно сравнительно мало экспериментов по филаментации импульсов надлинах волн, отличных от 800 нм.

Теоретические исследования филаментации также сосредоточены, в основном, на импульсах с длиной волнытитан-сапфирового лазера. Известные экспериментальные данные и результаты теоретических исследований слабо согласуются друг с другоми не позволяют установить общие закономерности влияния длины волныфемтосекундного лазерного импульса на процесс его филаментации в воздухе.

Это приводит к тому, что остаётся открытым вопрос о выборе тогоили иного источника мощных фемтосекундных лазерных импульсов дляконкретного приложения.Одной из проблем, ограничивающих применимость явления филаментации в приложениях, является модуляционная неустойчивость мощного импульса, приводящая к множественной филаментации.

В импульсес мощностью, превышающей критическую мощность самофокусировки вдесятки и более раз, образуется множество филаментов. Расположениеэтих филаментов в пространстве (как в поперечном сечении, так и вдольоси распространения) является хаотическим и меняется от импульса к импульсу. При этом центрами зарождения филаментов служат неизбежныеначальные возмущения на профиле пучка, а также возмущения вызванные случайными флуктуации показателя преломления среды.

Нерегулярность процесса множественной филаментации приводит к неконтролируемым флуктуациям параметров филамента и плазменного канала, которыеснижают эффективность использования явления филаментации в приложениях. В связи с этим, возникает проблема регуляризации процессамножественной филаментации.Филаментация фемтосекундных лазерных импульсов на открытых атмосферных трассах большой протяжённости имеет отличия, по сравнению с филаментацией, наблюдаемой в лабораторных условиях. На больших расстояниях существенное влияние на распространение лазерногоимпульса начинает оказывать атмосферная турбулентность, которая способствует развитию множественной филаментации.

В среднем, множественная филаментация лазерного импульса проявляется на значительноменьшем расстоянии, чем глобальная самофокусировка всего импульса вцелом с возможным формированием в нём единого филамента. Это приводит к тому, что в турбулентной атмосфере сокращается расстояние достарта филамента. В то же время, для приложений атмосферной оптики4смещение положения старта филамента на большие расстояния являетсяпервоочередной задачей. Поэтому поиск эффективных методов управления расстоянием старта филаментации является одной из приоритетныхзадач.Проблемы возникают и при теоретическом исследовании явления филаментации.

Основным методом теоретического исследования филаментации является численное моделирование. Оценки показывают, что причисленном моделировании филаментации объем массива с комплекснойамплитудой поля лазерного импульса может достигать величины 1016 –1024 элементов. В настоящее время работа с массивами такой размерности требует чрезмерно больших вычислительных затрат.

В связи с этим,поиск эффективных методов численного моделирования филаментациилазерных импульсов является актуальной задачей.Таким образом, к неразрешённым проблемам, как фундаментальным,так и прикладным, препятствующим эффективному использованию явления филаментации в приложениях атмосферной оптики, можно отнестинедостаток информации о влиянии длины волны излучения на параметры филамента и плазменного канала, неконтролируемый распад мощноголазерного импульса на хаотическое множество филаментов, образованиефиламентов на малых расстояниях при филаментации в атмосфере, а также чрезмерные вычислительные затраты при численном моделированиифиламентации.

Решение этих проблем является первоочередной задачейна пути использования явления филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в атмосферных приложениях.1.2Цели и задачи диссертационной работыСпецификой систем атмосферной оптики является то, что лазерныйимпульс распространяется на открытых, заранее не подготовленных трассах. В этом случае, единственным способом влияния на процесс филаментации остается формирование на выходе из лазерной системы импульсас заданными характеристиками. Наличие фундаментальных и прикладных проблем, описанных в предыдущем разделе, свидетельствует о том,что для эффективного использования явления филаментации в приложениях атмосферной оптики необходимо исследовать, как эти начальныехарактеристики импульса влияют на филаментацию.

При этом, вся совокупность доступных в эксперименте модификаций начального импульсаможет быть разделена на три типа. Во-первых, можно изменять длинуволны лазерного импульса, то есть, фактически, выбирать оптимальныйисточник излучения для того или иного приложения. Во-вторых, можно использовать амплитудную модуляцию, то есть создавать лазерныеимпульсы с заданным пространственным или временным распределени-5ем интенсивности.

И, в-третьих, возможна фазовая модуляция лазерногоимпульса, то есть его фокусировка или модуляция фазы во времени.Описанные выше неразрешённые проблемы, возникающие при использовании явления филаментации в приложениях, а также подходы к формированию начального импульса для управления филаментацией определили цели и задачи данной диссертационной работы. В итоге, цели настоящей диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:1.

Установить общие закономерности филаментации в воздухе фемтосекундных лазерных импульсов с различной длиной волны. Для этого:(а) Построить единую модель нелинейно-оптического отклика воздушной среды на воздействие мощного фемтосекундного излучения различной длины волны.(б) Численно исследовать филаментацию лазерных импульсов сдлинами волн, соответствующими существующим источникаммощного фемтосекундного излучения.(в) Исследовать процесс ограничения интенсивности лазерного импульса в условиях совместного влияния керровской и плазменной нелинейности при филаментации.(г) Провести экспериментальные и теоретические исследованияфиламентации в воздухе лазерного импульса хром-форстеритового лазера с длиной волны 1240 нм.2. Исследовать филаментацию мощных фемтосекундных лазерных импульсов с эллиптическим распределением интенсивности в плоскости поперечного сечения.

Данная форма импульса является одной изпростейших и позволит сделать выводы о влиянии геометрическойформы распределения интенсивности в импульсе на его филаментацию. Для этого:(а) Рассмотреть стационарную самофокусировку лазерного пучка сэллиптическим распределением интенсивности — классическуюзадачу самовоздействия в нелинейной оптике, решение которойдаёт информацию о зарождении филаментов.(б) Исследовать динамическую филаментацию фемтосекундноголазерного импульса с эллиптическим пространственным распределением интенсивности в условиях нестационарности кубической восприимчивости среды и нелинейного отклика наведенной лазерной плазмы.6(в) Исследовать устойчивость филаментации импульса с эллиптическим пространственным распределением интенсивности кпервоначальным возмущениям интенсивности в плоскости поперечного сечения.3.