Филаментация фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере в условиях когерентного рассеяния в водном аэрозоле

На правах рукописиСИЛАЕВА ЕЛЕНА ПЕТРОВНАФИЛАМЕНТАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГОИМПУЛЬСА В АТМОСФЕРЕ В УСЛОВИЯХ КОГЕРЕНТНОГОРАССЕЯНИЯ В ВОДНОМ АЭРОЗОЛЕСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2010Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета им. М.В.

ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кандидов Валерий ПетровичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Стрелков Герман Михайлович,ИРЭ РАН, г. Фрязино Московской областикандидат физико-математических наукСуворов Алексей Анатольевич,ГНЦ РФ - ФЭИ, г.

Обнинск Калужской областиВедущая организация:Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СОРАН, г. ТомскЗащита состоится 21 октября 2010 г. в 1600 на заседании диссертационногосоветаД 501.001.31приМосковскомгосударственномуниверситетеим. М.В. Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,дом 1, строение 62, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан ""2010 годаУченый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наук, доцентТ.М.

ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПри распространении в атмосферном воздухе фемтосекундного лазерногоизлучения гига- и тераваттной мощности возникает филаментация, при которойлазерная энергия локализуется в тонкие протяженные нити. Образование филаментовявляется результатом динамического баланса керровской самофокусировки лазерногоизлучения и дефокусировки его в наведенной лазерной плазме, возникающейвследствие фотоионизации газовых компонент воздушной среды.

В воздухе при длиневолны излучения 0.8 мкм согласно различным экспериментальным данным диаметрфиламента составляет dfil ≈ 100 мкм, пиковое значение интенсивности –Ifil ≈ 1013÷1014 Вт/см2, концентрация свободных электронов в плазменном канале –Ne ≈ 1014÷1016 см–3 и его диаметр – dpl ≈ 50 мкм. Одним из проявлений филаментацииявляется генерация суперконтинуума, спектральная полоса которого в воздухепростирается от 0.5 до 4.5 мкм. Явление филаментации имеет важное прикладноезначение в атмосферной оптике, позволяя зондировать состав атмосферы иобнаруживать загрязняющие примеси, получать плазму оптического пробоя и сигналфлюоресценции на мишенях, удаленных на километровые расстояния, управлятьвысоковольтным разрядом молнии и конденсацией водяного пара в атмосфере,создавать линии передачи СВЧ излучения1.В реальных условиях импульсы тераваттной мощности, которая в десятки и сотнираз выше критической мощности самофокусировки в воздухе (Pcr = 2÷6 ГВт),распадаются на хаотическое множество филаментов.

Это является следствиеммодуляционной неустойчивости интенсивного светового поля в среде с керровскойнелинейностью2. Центрами зарождения филаментов в поперечном сечении импульсамогут быть случайные возмущения светового поля, обусловленные качествомвыходного пучка, флуктуациями показателя преломления в турбулентной атмосфере ирассеянием на частицах аэрозоля.Важным фактором, определяющим процесс филаментации лазерного импульса,является наличие на атмосферной трассе облачности и осадков, что приводит крассеянию и ослаблению излучения. Эксперименты по взаимодействию филамента сотдельными частицами, выполненные в натурных3 и лабораторных4 условиях, а такжетеоретические исследования5 показывают, что капля, перекрывающая приосевуюобласть лазерного импульса, фатально не препятствует существованию филамента.1J.

Kasparian et al. Science, 301, 61 (2003); В.П. Кандидов и др. Квант. эл., 39, 205 (2009)В.И. Беспалов, В.И. Таланов. Письма в ЖЭТФ, 3, 471 (1966)3F. Courvoisier et al. Appl. Phys. Lett., 83, 213 (2003)4A. Dubietis et al. Phys. Rew. Lett., 92, 253903 (2004)5M. Kolesik, J.V. Moloney. Opt. Lett., 29, 590 (2004)21Излучение на периферии поперечного сечения импульса проходит мимо капли, и посленее энергия вследствие керровской самофокусировки перетекает к оси импульса,поддерживая тем самым восстановление филамента за каплей.Если плотность аэрозоля достаточно велика, то энергия излучениясформировавшегося филамента убывает по закону Бугера, как и при распространенииимпульса малой мощности в рассеивающей среде3,6.

При множественной филаментациипроисходит уменьшение числа филаментов вследствие ослабления излучения ваэрозоле7.В теоретических исследованиях филаментации в аэрозоле обычно используютсямодели, в которых частицы заменяются непрозрачными дисками, поглощающимиизлучение7, или рассеивающая среда заменяется сплошной ослабляющей средой8. Вэтих моделях вследствие ослабления энергии в аэрозоле, филамент образуется позже исокращается его длина.В настоящее время сформировалось новое научное направление – нелинейнаяфемтосекундная оптика атмосферы, которая охватывает широкий круг явлений,связанных с взаимодействием мощного фемтосекундного лазерного излучения сатмосферой, как многокомпонентной случайно-неоднородной средой9. В связи свозросшим интересом к использованию явления филаментации в приложенияхатмосферной оптики, исследование влияние аэрозоля и атмосферной турбулентности наформирование филаментов при распространении фемтосекундных лазерных импульсовв атмосфере представляет собой актуальную задачу.

Однако при исследованиираспространения лазерного излучения в облаках и туманах обычно не учитываетсявклад многократного когерентного рассеяния на частицах в формирование филаментов.Вместе с тем, для лазерного излучения на длине волны λ = 0.8 мкм, для которогопоглощение в воде мало, определяющим в трансформации импульса и егоэнергетических характеристик является рассеяние на частицах аэрозоля. Процессфиламентации в турбулентной аэродисперсной среде мощного фемтосекундноголазерного импульса ранее не рассматривался ни теоретически, ни экспериментально.Цели и задачи диссертационной работыЦелью работы является комплексное исследование методом численногоэксперимента филаментации фемтосекундного лазерного импульса в турбулентнойаэродисперсной среде при различных параметрах излучения и микрофизических6Н.Н.

Бочкарев и др. Опт. атмос. и океана, 17, 971 (2004)G. Mejean et al. Phys. Rew. E, 72, 026611 (2005)8A.A. Zemlyanov, Y.E. Geints. Opt. Commun., 259, 799 (2006)9В.П. Кандидов и др. Опт. атмос. и океана, 13, 429 (2000); Ю.Э. Гейнц и др. Нелинейная фемтосекунднаяоптика атмосферы, Томск: Изд. Института опт. атмос. СО РАН. 212 с., 201072характеристиках среды.

Достижение этой цели включает следующие конкретныезадачи:1. Развитие стратифицированной модели филаментации мощного фемтосекундноголазерного импульса при многократном когерентном рассеянии на частицах аэрозоляв условиях атмосферной турбулентности.2. Исследование влияния возмущений и ослабления светового поля, вызванныхмногократным когерентным рассеянием фемтосекундного лазерного импульса ваэрозоле, на его филаментацию.3.

Исследование распространения филамента мощного фемтосекундного импульса ипереноса им энергии высокой плотности через слой водного аэрозоля.4. Статистическое исследование филаментации фемтосекундного лазерного импульсав турбулентной атмосфере, замутненной аэрозолем.5. Анализ возможности замены дисперсной среды аэрозоля ослабляющейнепрерывной средой той же оптической толщи при исследовании явленияфиламентации.Научная новизна работы1. Оригинальной является модель многократного когерентного рассеяния лазерногоизлучения в аэрозоле в условиях турбулентности на основе стратифицированногопредставления распространения излучения в атмосфере.2. Впервые исследована рефокусировка фемтосекундного лазерного импульса вприсутствии слоя аэрозоля в атмосфере.3. Впервые исследован вклад ионизации воздушной среды, дефокусировки внаведенной лазерной плазме и рассеяния на частицах аэрозоля в ослаблениеэнергии высокой плотности, локализованной в филаменте.4.

Новыми являются результаты статистического анализа зарождения филаментов прираспространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов в дисперснойсреде водного аэрозоля, на основе которого установлено, что возможны различныережимы филаментации в зависимости от параметров аэрозоля и лазерногоимпульса.5. Впервые численно исследована стохастическая множественная филаментациямощного лазерного импульса в водном аэрозоле в условиях турбулентныхфлуктуаций показателя преломления в атмосфере.

Получены динамическиесценарии локализации энергии светового поля и формирования лазерной плазмыпри филаментации импульса в аэродисперсной турбулентной атмосфере.Практическая ценность работы1. Вывод об инициировании множественной филаментации в аэрозоле прикогерентном рассеянии на частицах может найти применение при разработке3систем атмосферной оптики, в частности, тракта вывода мощного лазерногоимпульса на атмосферную трассу.2. Вывод о повышении эффективности переноса энергии высокой плотностифиламентом фемтосекундного импульса в атмосфере при увеличении егодлительностипредставляетинтересдлядистанционнойэмиссионнойспектроскопии, индуцированной филаментацией.3.

Определение области параметров лазерного излучения и аэрозоля, в которойвозможна замена дисперсной среды аэрозоля сплошной ослабляющей средой,является полезным при планировании экспериментов по филаментациифемтосекундных лазерных импульсов в атмосфере.4. Стратифицированная модель и компьютерный код для исследования филаментациимощного фемтосекундного лазерного излучения при рассеянии в аэрозоле вусловиях турбулентности может найти применение для планирования и анализарезультатов натурных экспериментов на атмосферных трассах.Защищаемые положения1. Многократное когерентное рассеяние мощного фемтосекундного лазерногоимпульса на частицах водного аэрозоля вызывает как инициированиемножественной филаментации на возмущениях поля, возникающих при рассеянии,так и уменьшение числа филаментов, вплоть до их исчезновения, из-за ослаблениямощности при рассеянии.

При оптической толще аэродисперсной среды нарасстоянии филаментации τ < 0.2 определяющим является влияние возмущений наобразование множества филаментов, при τ > 0.2 доминирует ослабление мощностилазерного излучения.2. Сформировавшийся филамент является пространственно устойчивой структурой ипосле прохождения через слой плотного аэрозоля, вызывающего возмущения враспределении интенсивности, происходит восстановление осесимметричной модыфиламента – унимодальной для коллимированного импульса и кольцевой вусловиях сильной фокусировки.3.