Диссертация (Формирование и характеристики плазменных каналов при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе), страница 6

В [106] на примере одного— 16 —пучка с неоднородностью был обнаружен сценарий одновременного развития двух филаментов с последующим их слиянием в единый канал.Взаимодействие филаментов зачастую опосредовано общим энергетическим резервуаром.Конкуренция филаментов за энергетический резервуар может привести к увеличению расстояния до нелинейного фокуса [107].

Кроме того, эта конкуренция приводит к сокращениюпротяженности филаментов и их плазменных каналов.В [108] указывалось на важность фазовых соотношений при взаимодействии филаментов. Так, синфазные коллимированные филаменты при распространении сливались в единую нить. Указывалось также, что в синфазном случае увеличивалась стабильность каналапо сравнению со случаем филаментации одного пучка двойной мощности. В противофазномслучае отмечался режим отталкивания филаментов. В [109] было также показано, что взаимодействие скрещенных под малым углом (0.01∘ –0.1∘ ) филаментов определяется фазовымисоотношениями: при близких фазах филаменты сливались в единый канал, протяженностькоторого зависела от разности фаз импульсов, в противофазном случае филаменты отталкивались и быстро удалялись друг от друга.

Взаимодействие параллельных филаментов,образованных импульсами на основной и удвоенной частотах, также может приводить к ихпритяжению, отталкиванию или слиянию [110]. Взаимодействие пересекающихся филаментов можно использовать для обмена энергией между ними [111]. Передача энергии зависелаот временной задержки и чирпов лазерных импульсов и достигала 7%. С увеличением мощности взаимодействующих импульсов становится важным механизм взаимодействия посредством самонаведенной плазмы, что приводит к росту эффективности передачи энергии до20% и более [69].Наиболее частым механизмом взаимодействия филаментов является керровская нелинейность, что обуславливает фазовую чувствительность взаимодействия. Также может использоваться и плазменная нелинейность.

В [112] два мощных скрещенных пучка основнойгармоники использовались для формирования одномерной плазменной решетки, на которойзатем дифрагировал задержанный импульс удвоенной частоты. В [113] вследствие взаимодействия на совместно сформированной плазменной решетке наблюдался обмен энергиеймежду двумя импульсами с небольшой разностью несущих частот (до 100 ТГц при центральной длине волны 800 нм). Эффективность перекачки энергии доходила до 50%. Кроме того,в [114] указывается, что переориентация молекул, связанная с вращательными переходами,может обеспечивать взаимодействие на больших временах, нежели керровская и плазменнаянелинейности.В [115] исследовался вопрос о возможности достижения интенсивностей, превышающиххарактерную интенсивность в филаменте.

В частности, предлагался способ фокусировкидвух импульсов в одну точку. Было обнаружено, однако, что пиковая интенсивность возрастала не более, чем на 30% по сравнению с одним импульсом. Было также отмечено существенное (в два раза) увеличение поперечных размеров области с высокой концентрациейэлектронов.В [116] сообщалось об эксперименте по взаимодействию двух когерентных импульсов,— 17 —сфокусированных в нелинейный кристалл. Было обнаружено, что при нулевой разности фазимпульсов образующиеся филаменты расходятся слабее, чем в отсутствие взаимодействия(в последнем случае один из импульсов задерживался на несколько пикосекунд, тогда филаментацию импульсов можно считать независимой), а в противофазном случае — сильнее.Указывалось, что определяющим параметром при формировании картины множественнойфиламентации будет отношение диаметра энергетического резервуара к расстоянию междуинтерференционными полосами в фокусе линзы.Таким образом, исследование взаимодействия филаментов представляет интерес как длязадач множественной филаментации, так и для управления филаментацией и перераспределения энергии между филаментами.1.7.

Филаментация сфокусированного излученияИсследование атмосферной филаментации затруднено ввиду необходимости иметь протяженную трассу (сотни метров и более), поэтому в эксперименте часто используют фокусированное излучение, что позволяет выполнить эксперименты в пределах ограниченногопространства лаборатории. С точки зрения теоретического описания, это дает возможностьпренебрегать влиянием атмосферной турбулентности, не существенной на трассах порядка10 метров.Развитие филаментации в сфокусированных пучках несколько отличается от распространения коллимированного излучения. Образование нелинейного фокуса происходит ближе квыходу лазерной системы. Если в коллимированном пучке филамент образуется на расстоянии , то в таком же пучке, дополнительно сфокусированного на расстояние , положение−1−1старта филаментации можно оценить по формуле −1[90].

Иными словами, в = + процессе самофокусировки силы керровской и обычной линз складываются.Также в случае фокусировки излучения продольные размеры области филаментации часто ограничиваются геометрическим фокусом оптической системы. Несмотря на расходимость излучения после прохождения геометрического фокуса, в нелинейном режиме возможно образование высокоинтенсивной области за фокальной плоскостью. В [117] было обнаружено протягивание филамента за фокальную плоскость линзы с фокусным расстоянием 2 м.В [118] было показано, что при заданной фокусировке существует пороговое значение пиковой мощности импульса, при котором возможно развитие рефокусировки за геометрическойперетяжкой пучка.

На основе измерений плазменных каналов лазерных импульсов различной мощности, сфокусированных на расстояние 20 см в [119] была предложена процедураопределения критической мощности самофокусировки и получены оценки = 3.19 ГВтдля 800 нм и = 0.45 ГВт для 400 нм.Использование фокусировки является одним из простейших способов управления параметрами лазерных филаментов и их плазменных каналов. Подробные исследования плазменных каналов в сфокусированных пучках в воздухе были проведены в [50].

Было обнаружено,что диаметр плазменных каналов (FWHM) составляет около 60 мкм для коллимированных— 18 —импульсов и увеличивается до 100 мкм при обострении фокусировки вплоть до фокусного расстояния 50 см. Кроме того, для коллимированного излучения диаметр канала слабозависит от пиковой мощности импульса, если она находится в диапазоне от 1 до 5 (режим одиночной филаментации). Пиковая концентрация электронов возрастала от 1015 см−3в коллимированном пучке до 1016 см−3 в сфокусированном и слабо зависела от мощности.При очень острой фокусировке (радиус фокусировки 10 см при диаметре пучка 6 мм) наблюдалась существенно более высокая концентрация (до 2 · 1018 см−3 ) и существенно меньшийдиаметр канала (порядка 30 мкм).

В [120] было обнаружено, что при острой фокусировке(фокусное расстояние 20 см) и постоянной пиковой интенсивности импульса длина плазменного канала практически не зависит от диаметра лазерного пучка. В [121] также показана возможность управления пространственным положением множественных филаментов вслучае многократного превышения пиковой мощностью импульса критической мощности самофокусировки. Кроме того, геометрическая фокусировка (или дефокусировка) позволяетуправлять количеством филаментов в плоскости мишени [122].В ряде работ предлагалось использовать фокусировку с помощью аксикона вместо обычной линзы. Аксикон обеспечивает большую протяженность перетяжки, но только небольшаячасть энергии импульса оказывается в пределах центрального максимума, остальная частьраспределена в низкоинтенсивных кольцах.

В [123] было показано расщепление непрерывной картины конической эмиссии на узкие кольца при использовании аксикона вместо линзы. В [124] для увеличения протяженности плазменных каналов предлагалось использоватьбесселевы пучки, формируемые при конической фокусировке аксиконом.

При этом продольным положением каналов можно было управлять за счет чирпирования импульса. В [125]было обнаружено, что коническая фокусировка увеличивает протяженность каналов филаментов 800 нм излучения в два раза по сравнению с обычной параболической фокусировкой.Коническая фокусировка также может способствовать упорядочению множественной филаментации [126].В ряде работ рассматривалась возможность использования эллиптических пучков дляуправления филаментацией. В [127] был рассмотрен процесс самофокусировки таких пучков в параксиальном приближении, однако в [128] указывается на недопустимость подобногорассмотрения вследствие невозможности корректного воспроизведения частичного коллапсапучка, когда только часть полной мощности оказывается сосредоточена вблизи сингулярности поля. Особенности развития филаментации в эллиптических пучках обсуждаются в [129].Там указывается на рост расстояния до старта филамента при увеличении эллиптичности,что интерпретируется как эквивалентное увеличение критической мощности.

Кроме того,указывается на возможность регуляризации множественных филаментов за счет эллиптичности.В [130] в численном мделировании продемонстрировано увеличении протяженности плазменных каналов и плотности свободных электронов в них при использовании пучков кольцевой формы. Положением и длиной каналов при этом можно управлять за счет геометрической фокусировки.— 19 —В [131] для увеличения протяженности филаментов использовалось адаптивное зеркало,вводя сферическую аберрацию в волновой фронт пучка.

При этом периферия пучка оказывалась сфокусированной на большее расстояние, чем его центральная часть, что приводилок двукратному увеличению протяженности плазменного канала. В настоящей работе будет рассмотрено влияние более низкой аберрации — астигматизма. Поскольку астигматизмволнового фронта фактически означает наличие двух фокусных расстояний для лазерногопучка, можно ожидать, что вся область между фокусами окажется перетяжкой в линейном режиме распространения и будет занята филаментом в нелинейном режиме. Тем самымстанет возможным управление длиной филамента и плазменного канала за счет измененияначального астигматизма.Таким образом, геометрическая фокусировка предоставляет богатые возможности дляуправления параметрами лазерных филаментов и их плазменными каналами.