Диссертация (Формирование и характеристики плазменных каналов при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе), страница 3

Для этого необходимо решить обратную задачу распространения излучения сквозь область с измененным показателем преломления. Как правило, ее решают, сделав разумные предположения о характере распределенияконцентрации свободных электронов в плазменном канале (например, об осевой симметриираспределения).Электрические методы основаны на изменении проводимости среды при возникновенииплазменного канала между электродами измерительной цепи. Электроды могут располагаться вдоль направления распространения излучения [51–53], тогда информация о концентрации плазменного канала усредняется по области с характерным размером, равным межэлектродному расстоянию.

Возможна и поперечная схема [54], отличающаяся меньшей апертуройизмерительного устройства.Первые измерения параметров плазменных каналов в воздухе были выполнены с использованием продольной электрической схемы. В [55] использовался 120-фс лазерный импульсна длине волны 800 нм, дополнительно подфокусированный тонкой линзой с фокусным расстоянием 1 м. В предположении, что диаметр филамента в перетяжке составлял 40 мкм,авторы оценили концентрацию электронов в плазменном канале величиной 3 · 1016 см−3 .

Впрактически одновременной работе [52] с использованием продольной электрической схемыдругой группой была получена существенно заниженная оценка 1012 см−3 , что, вероятно, связано с сильно завышенной оценкой площади поперечного сечения плазменных каналов примножественной филаментации.В [50] поперечный размер плазменных каналов и концентрация электронов в них оценивались по результатам измерений с использованием продольной интерферометрическойсхемы. Диаметр плазменных каналов составлял 60–100 мкм. Пиковая концентрация электронов возрастала от 1015 см−3 в коллимированном пучке до 1016 см−3 в сфокусированном ислабо зависела от мощности.Изменение диаметра плазменного канала сфокусированного лазерного импульса при ва—8—рьировании энергии излучения было зарегистрировано в [49].

Авторы считают это результатом ионизации среды излучением резервуара энергии, окружающего филамент. В коллимированных пучках интенсивность излучения в резервуаре недостаточна для заметнойионизации, однако при наличии фокусировки (радиус фокусировки 50 см) интенсивность врезервуаре возрастает и может дать сравнимый с филаментом вклад в общую концентрациюэлектронов. Кроме того, авторы провели восстановление поперечного профиля концентрации электронов по данным измерений в продольной интерферометрической схеме. Диаметрплазменного канала оказался равным 40 мкм в момент образования филамента (за несколькосантиметров перед геометрическим фокусом линзы), затем возрастал до 70–100 мкм и снова уменьшался до 40 мкм в геометрическом фокусе. Усложнение структуры распределениясветового поля в перетяжке при увеличении пиковой мощности импульса также отмечалосьв [56].

При этом не наблюдалось существенного роста пиковой интенсивности излучения. Таким образом, геометрический фокус линзы может ограничивать протяженность плазменногоканала.Помимо поперечного диаметра и концентрации электронов в практических приложениях важны продольные размеры каналов. В [57] рассматривалось распространение лазерныхимпульсов с пиковой мощностью до нескольких сотен . Плазменные каналы наблюдалисьна протяжении как минимум 55 м.

При этом в поперечном сечении наблюдалось несколькодесятков одновременно существующих и взаимодействующих филаментов.В [58] исследовалась возможность управления продольным положением плазменных каналов на километровых трассах. Лазерный импульс с энергией 190 мДж мог иметь фазовуюмодуляцию — чирп, так что длительность импульса варьировалась от 0.2 до 9.6 пс. Изменение чирпа приводила к сильному перемещению области филаментации вдоль по трассе. Приминимальной длительности филамент начинался почти сразу после выхода из лазерной системы и продолжался на протяжении 200 м, при этом плазменный канал регистрировался напервых пятидесяти метрах. При увеличении длительности импульса до 6 пс филамент начинается на расстоянии 200 м и не завершается вплоть до расстояния 2 км.

Однако при этой ибольшей длительностях плазменные каналы начинают носить прерывистый характер.В [59] исследовался вопрос о причинах ограничения длины филамента. Филамент простирался на расстоянии от 12 до 20 м от выхода лазерной системы. Как показал эксперимент,пиковая мощность излучения после завершения области филаментации все еще превышаеткритическую мощность самофокусировки в несколько раз. Если в области после филамента расположить собирающую линзу (использовалась линза с фокусным расстоянием 50 см),то можно даже наблюдать рождение второго филамента. Однако в отсутствие линзы онне образуется.

Авторы видят причину в дефокусирующем воздействии плазменного канала.Несмотря на превышение пиковой мощности над критической, лазерное излучение дефокусировано после прохождения плазмы и не может сформировать нелинейный фокус.В [51] электрическая схема измерения была адаптирована для исследования динамикиконцентрации электронов в процессе релаксации на наносекундных масштабах длительности. Для меньших временных промежутков использовалась поперечная интерферометриче-—9—ская схема. Лазерный импульс длительностью 120 фс и энергией 14 мДж был сфокусировантонкой линзой с фокусным расстоянием 2 м при диаметре пучка около 2 см. В результатеудалось оценить не только концентрацию электронов в плазменном канале (2 · 1017 см−3 ), нои параметры релаксационных процессов (скорость электрон-ионной рекомбинации).Рекомбинация, наряду с прилипанием электронов к нейтральным молекулам воздуха,является основным фактором уменьшения концентрации электронов в процессе релаксациии в конечном итоге определяет время жизни лазерной плазмы и мгновенную длину плазменного канала (то есть области, в который в данный момент существует значимая концентрация электронов).

В [60] для увеличения времени жизни канала использовалось два последовательных импульса. Первый импульс имел длительность 30 фс и был дополнительноподфокусирован на расстояние 35 см. Он испытывал филаментацию и оставлял после себяплазменный канал. Второй импульс следовал с запаздыванием 10 нс и имел длительность0.3 нс. Энергии обоих импульсов составляли около 40 мДж. Было обнаружено, что наличиевторого импульса приводило к увеличению продолжительности жизни канала с 20 до 200 нс.Авторы объясняют это дополнительным разогревом лазерной плазмы филамента вторымимпульсом, что замедляет процессы рекомбинации.1.4. Филаментация излучения УФ диапазонаФиламентация наиболее изучена для ближнего ИК диапазона.

В то же время ряд работуказывает на потенциальные преимущества УФ филаментов в таких приложениях, как создание атмосферных волноводов [61], спектроскопия пробоя, индуцированного филаментом,(filament-induced breakdown spectroscopy, FIBS) [62], обнаружение взрывчатых веществ [63],сверление микроотверстий [64].

В теоретической работе [65] высказано предположение о возможности создания УФ филаментов с энергией в несколько сотен мДж и протяженностьюнесколько километров. Авторы считают, что этому будет способствовать меньшее поглощение лазерной энергии в самонаведенной плазме вследствие меньшей интенсивности в УФфиламенте и меньшего сечения обратного тормозного рассеяния.В [66, 67] рассматривается использование УФ импульсов для управления электрическимразрядом. Показано, что совместное использование последовательности пикосекундных УФимпульсов с длинным УФ импульсом увеличивает разрядный фототок на два порядка посравнению с током от уединенного длинного импульса.В работе [68] рассматривалось совместное распространение ИК и УФ импульса, что приводило к одновременному образованию предельно коротких импульсов на двух длинах волн.В [69] исследовался вопрос переноса энергии между двумя наложенными ИК и УФ импульсами, а также спектральные особенности формирующегося излучения суперконтинуума.

В [70]последовательное распространение ИК и УФ импульсов использовалось для увеличение времени жизни плазменного канала. В [71, 72] рассматривалось использование УФ филаментовдля стимулирования процесса конденсации в атмосфере.В первых работах [73, 74] отмечалось, что генерация лазерной плазмы излучением УФ— 10 —диапазона происходит при значительно меньшем порядке многофотонности, чем ИК излучением.

Если при длине волны 800 нм для фотоионизации молекул кислорода и азота необходимы 8–10 фотонов, то при 248 нм их число сокращается до 3–4 фотонов. Вследствие этогобаланс между керровской самофокусировкой и плазменной дефокусировкой излучения имеетболее «мягкий» характер в филаменте УФ диапазона, чем в ИК. Авторы [73] указывают, чтоследствием этого является большая протяженность филамента УФ излучения по сравнениюс ИК филаментом.Согласно экспериментам, выполненным с остросфокусированными пучками [75], и численным исследованиям коллимированных пучков [76], диаметр плазменного канала в УФфиламенте меньше, чем в ИК.

Исследования УФ филаментации показали [77], что с увеличением длительности излучения возрастает диаметр плазменного канала и концентрацияэлектронов. В [78] концентрация электронов в плазменных каналах лазерных филаментовизлучения с длиной волны 400 нм доходила до 2 · 1017 см−3 . Там же после диафрагмированияпучка наблюдалась множественная филаментация излучения с образованием филаментовдлиной до 74 м. Также была определена энергия, переносимая филаментом, она составилавсего 30 мкДж, что более чем на порядок меньше, чем в случае ИК излучения.Таким образом, исследования филаментации в УФ диапазоне, в основном, связаны с еепрактическими приложениями.