Диссертация (Формирование и характеристики плазменных каналов при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе), страница 7

Однако в большинстве работ исследовалось размеры и положения плазменных каналов и филаментов, приэтом значениям концентрации электронов и интенсивности лазерного излучения уделялосьсущественно меньшее внимание. Особенно это касается излучения УФ диапазона. Требуетсясравнительное исследование зависимостей параметров филаментации от фокусировки длядвух диапазонов длин волн.1.8. Цели и задачи диссертационной работы1. Исследование параметров филаментов и плазменных каналов при филаментации лазерного излучения фемтосекундной длительности ИК и УФ диапазонов длин волн всфокусированных пучках в воздухе.2.

Исследование факторов, позволяющих увеличить протяженность плазменных каналов лазерных филаментов в сфокусированных пучках.3. Статистическое исследование процесса самофокусировки лазерного пучка на протяженной трассе в турбулентной атмосфере и определение закономерностей в положении точки старта филамента и плазменного канала.4. Исследование множественной филаментации мощного лазерного излучения фемтосекундной длительности и установление общих закономерностей картины филаментации при взаимодействии отдельных филаментов.5.

Создание пакета программ для расчета задачи филаментации фемтосекундного лазерного излучения с возможностью масштабирования на современных вычислительных кластерах.1.9. Научная новизна работы1. При численном исследовании зависимости параметров филаментации в сфокусированных импульсах от остроты фокусировки установлено качественное отличие в формировании филамента и плазменного канала излучения УФ диапазона, которое по— 20 —сравнению с излучением ИК диапазона имеет более мягкий характер при одинаковом превышении пиковой мощности над критической.2. Впервые получена подробная статистика образования филамента при распространении лазерного импульса в турбулентной атмосфере. Исследована вероятность образования филамента и продольное положение точки старта филамента.3.

Показано, что взаимодействие двух скрещенных когерентных филаментов можетприводить к образованию дополнительных филаментов вне плоскости распространения лазерных пучков.4. Создан пакет программ для численного моделирования филаментации и самофокусировки мощного фемтосекундного лазерного излучения в регулярных и случайнонеоднородных средах на вычислительных кластерах с использованием технологийпараллельного программирования.1.10. Практическая ценность работы1. Созданный пакет программ для расчета задачи филаментации фемтосекундных лазерных импульсов позволил эффективно использовать ресурсы суперкомпьютерногокомплекса МГУ с возможностью масштабирования задачи.2. Показана возможность управления параметрами филаментов и плазменных каналовмощного фемтосекундного излучения УФ диапазона за счет изменения радиуса фокусировки пучка.3.

На основе результатов численного исследования обоснованы способы увеличения протяженности плазменных каналов в пучках сфокусированного излучения: посредствомвведения в пучок астигматической аберрации и использования динамической кривизны волнового фронта, приобретаемой импульсом при прохождении тонкого слояпрозрачного твердотельного диэлектрика.4. Проведенное исследование самофокусировки пучка в турбулентной атмосфере позволяет прогнозировать положение начала филаментации на протяженной атмосфернойтрассе при различных параметрах излучения и состоянии атмосферы.5.

Построенная модель периодических граничных условий для задачи филаментации вшироких пучках позволяет оптимизировать использование вычислительных ресурсовпри исследовании распространения лазерного излучения с мощностью, многократнопревышающей критическую мощность самофокусировки.6. Использование когерентного взаимодействия лазерных филаментов позволяет управлять пространственным распределением энергии и структурой множественных плазменных каналов.— 21 —1.11. Защищаемые положения1.

При изменении радиуса фокусировки в диапазоне от 1 м до 20 м для лазерных импульсов УФ диапазона с диаметром пучка порядка нескольких миллиметров и пиковоймощностью в несколько критических мощностей самофокусировки интенсивность вфиламенте в воздухе монотонно убывает в несколько раз, пиковая концентрация свободных электронов убывает на 1–2 порядка, а диаметр плазменного канала возрастаетдо двух раз. Подобное поведение параметров УФ филаментов и их плазменных каналов при изменении фокусировки качественно отличается от случая ИК излучения.2.

Динамическое изменение кривизны волнового фронта в течение импульса в большейстепени влияет на продольное положение начала филамента, чем на положение егоконца. Нестационарное возрастание кривизны волнового фронта в центре импульсаприводит к увеличению длины плазменного канала фемтосекундного филамента.3. При распространении в турбулентной атмосфере на горизонтальной трассе пучка смощностью, незначительно превышающей критическую мощность самофокусировки ( < 3 ), вероятность образования филамента монотонно убывает с усилениемтурбулентных флуктуаций, а среднее расстояние до точки старта филамента вначалевозрастает, а затем начинает убывать.

При большой мощности ( > 10 ) в пучкеразвивается множественная филаментация, продольное положение точки старта которой характеризуется относительно малым разбросом и смещается к началу трассыпри усилении турбулентных флуктуаций.4. При конструктивной интерференции двух пересекающихся когерентных пучков мощного фемтосекундного лазерного излучения помимо филаментов, лежащих в плоскости распространения пучков, возникают дополнительные филаменты, лежащие внеплоскости распространения пучков.1.12.

Апробация результатов работыОсновные результаты работы опубликованы в 6 статьях в рецензируемых журналах иодном сборнике:1. Кандидов В.П., Шленов С.А., Силаева Е.П., Дергачев А.А. Филаментация мощногофемтосекундного лазерного излучения в воздухе и ее приложения в атмосфернойоптике // Оптика атмосферы и океана. — 2010. — Т. 23, №10. — C. 873–884.2. Дергачев А.А., Силаева Е.П., Шленов С.А. Фемтосекундные лазерные филаменты// В сб. «Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности»,М.: Изд.

Московского университета, 2010, с. 100–102.3. Дергачев А.А., Кадан В.Н., Шлёнов С.А. Взаимодействие неколлинеарных фемтосекундных лазерных филаментов в сапфире // Квантовая электроника. — 2012. —Т. 42, №2. — С. 125–129.4. Дергачев А.А., Ионин А.А., Кандидов В.П., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Сунчугашева Е.С., Шлёнов С.А. Филаментация фемтосекундных ИК и УФ импульсов при— 22 —фокусировке в воздухе // Квантовая электроника. — 2013.

— Т. 43, №1. — С. 29–36.5. Blonskyi I.V., Kadan V.M., Dergachev A.A., Shlenov S.A., Kandidov V.P., Puzikov V.M.,Grin’ L.O. Filamentation of femtosecond vortex beam in sapphire // Ukranian Journal ofPhysics. — 2013. — Vol. 58, no. 4. — P. 341–344.6. Дергачев А.А., Ионин А.А., Кандидов В.П., Мокроусова Д.В., Селезнев Л.В., Синицын Д.В., Сунчугашева Е.С., Шленов С.А., Шустикова А.П. Плазменные каналыпри филаментации в воздухе фемтосекундного лазерного излучения с астигматизмомволнового фронта // Квантовая электроника. — 2014. — Т.

44, №12. — С. 1085–1090.7. Dergachev A.A., Ionin A.A., Kandidov V.P., Mokrousova D.V., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V.,Sunchugasheva E.S., Shlenov S.A., Shustikova A.P. Effect of nonlinearity in the passthrough optics on femtosecond laser filament in air // Laser Physics Letters. — 2015. —Vol. 12, no.

1. —P. 015403.а также докладывались на конференциях «Ломоносов — 2009» (Москва, Россия, 2009), SPIEOptics+Photonics (Сан-Диего, США, 2009), «Оптика — 2009» (Санкт-Петербург, Россия, 2009),Пятая Всероссийская школа для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов полазерной физике и лазерным технологиям (Саров, Россия, 2011), 20th International LaserPhysics Workshop 2011 (Сараево, Босния и Герцеговина, 2011), 2nd International Conference«Terahertz and Microwave radiation: Generation, Detection and Applications» TERA — 2012(Москва, Россия, 2012), XVIII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана.

Физика атмосферы» (Иркутск, Россия, 2012), International Conference on Coherent and NonlinearOptics & International Conference on Lasers, Applications, and Technologies ICONO/LAT — 2013(Москва, Россия, 2013), XIX Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Барнаул, Россия, 2013), «Оптика-2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013),V Всероссийская молодежная конференция по фундаментальным и инновационным вопросам современной физики (Москва, Россия, 2013), Laser Optics 2014 (Санкт-Петербург, Россия,2014), Eighteenth International School on Quantum Electronics «Laser Physics and Applications»(Созополь, Болгария, 2014).1.13. Личный вклад автораВсе представленные в диссертации теоретические результаты получены автором лично.Экспериментальные результаты получены в лаборатории газовых лазеров Физического института им.

П. Н. Лебедева РАН Л. В. Селезневым и Е. С. Сунчугашевой и центре коллективного пользования «Фемтосекундный лазерный центр» Национальной академии наук Украины В. Н. Каданом.— 23 —Глава 2Математическая модель явленияфиламентации фемтосекундныхлазерных импульсовВ главе приведен вывод основных уравнений, описывающих динамику лазерного импульсапри филаментации в приближении медленно меняющейся комплексной амплитуды светового поля. Сформулирована самосогласованная задача для амплитуды поля и концентрациисвободных электронов.

Рассмотрены стационарный и нестационарный вариант задачи филаментации при наличии и при отсутствии осевой симметрии. Приведены количественные характеристики исследуемых сред. Рассмотрены численные методы решения задач филаментации. Обсуждается использование параллельных алгоритмов для реализации предложенных численных методов на вычислительных кластерах.2.1. Уравнение для медленно меняющейся комплекснойамплитуды светового поля2.1.1. Волновое уравнение⃗ , ) и (⃗⃗ , ) в однородной изоДинамика напряженностей электромагнитного поля (⃗тропной немагнитной среде описывается уравнениями Максвелла⃗ , )1 (⃗,(︃)︃⃗ , ) 4 ⃗ (⃗, )1(⃗⃗ , ) =rot(⃗++ ⃗(⃗, ) , (︁)︁⃗⃗div(⃗, ) = 4 (⃗, ) − div (⃗, ) ,(2.1b)⃗ , ) = 0,div(⃗(2.1d)⃗ , ) = −rot(⃗— 24 —(2.1a)(2.1c)где ⃗ — поляризация среды, — плотность свободных зарядов, ⃗ — плотность тока проводимости, — скорость света в вакууме.Взяв ротор от обеих частей уравнения (2.1a), можно получить волновое уравнение длянапряженности электрического поля:2⃗⃗ div⃗ − grad⃗ − 1 = 4∆2 22(︃)︃ 2 ⃗⃗.+2(2.2)Для описания электромагнитного поля лазерного импульса удобно использовать представление поля в виде квазимонохроматической квазиплоской волны, распространяющейсявдоль оси .