Отзыв ведущей организации (Формирование и характеристики плазменных каналов при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе)

УТВЕРЖДАЮдиректор Федерального государственногобюджетного учреждения наукиИнститута оптики атмосферы им. В.Е. ЗуеваСибирского отделения Российской академии наукд.ф.-м.н.Матвиенко Г.Г.16.01.2015 г.ОТЗЫВведущей организации на диссертационную работуДергачева Александра Александровича«Формирование и характеристики плазменных каналов прифиламентации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе»,представленную к защите на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наук по специальности 01.04.21 –лазерная физикаАктуальность темыСамофокусировкаифиламентациясопровождаютраспространениемощного ультракороткого лазерного излучения в кубично-нелинейных средах,таких, например, как воздух, вода, кварц и интенсивно исследуются уже болееполувека.

Помимо использования в целом ряде практических приложений(широкополосное лидарное зондирование, создание токопроводящих каналов,дальняя доставка излучения высокой интенсивности, генерация новых частот идр.) данные эффекты представляют интерес и с фундаментальной точки зрения,так как они существенно расширяют горизонты нелинейной оптики и физикисверхсильных полей.Распространение в воздухе такого излучения проходит в условиях сильнойпространственно-временной самомодуляции излучения и сопровождаетсяфрагментацией самого пучка на локализованные в пространстве и устойчивые квозмущениям на достаточно протяженном участке трассы области с высокойинтенсивностью, так называемые, филаменты.

Результатом ионизации средыпроходящемврежимефиламентациилазернымизлучениемявляетсяобразование плазменного канала. Разреженная лазерная плазма, оставшаясяпосле прохождения фемтосекундного импульса, испытывает релаксацию,характерное время которой составляет порядка нескольких наносекунд.Численное моделирование филаментации сопряжено с рядом трудностей,которые,восновном,обусловленымногомасштабностьюзадачи.Необходимость иметь достаточно большую в поперечном сечении расчетнуюсетку, чтобы вместить весь лазерный пучок, и одновременно высокоепространственное разрешение, чтобы прописать тонкую структуру филаментови их плазменных каналов, ведет к большому числу точек расчетной сетки. Вовременном профиле импульса также возникают структуры малой длительности(порядка нескольких фемтосекунд), что приводит к необходимости иметь такжевременную сетку с высоким разрешением. В результате полный объем данныхо мгновенном состоянии импульса составляет порядка десятков Гбайт.

Притакихобъемахданныхвозникаетнеобходимостьиспользованияраспределенных вычислений и параллельных алгоритмов для работы сданными, что и было выполнено в диссертации.Основной массив экспериментальных и теоретических исследованийфиламентации оптического излучения в различных прозрачных средах былпроведен для излучения титан-сапфирового лазера, генерирующего на длиневолны 800 нм. В то же время ряд работ указывает на потенциальныепреимуществаУФфиламентоватмосферныхволноводов,втакихспектроскопияприложениях,пробоя,каксозданиеиндуцированногофиламентом, обнаружение взрывчатых веществ, сверление микроотверстий.Это послужило мотивацией соискателя для проведения дополнительныхисследований по закономерностям филаментации мощных импульсов в УФспектральном диапазоне, поскольку сама оптическая нелинейность воздухаявляется функцией длины волны излучения, и это может привнестиособенности в динамику самовоздействия лазерного пучка.

В диссертациипроведено исследование параметров филаментации в УФ и ИК диапазонах приналичии внешней фокусировки.Важное значение для практического использования филаментации напротяженных атмосферных трассах имеет продольная нестабильность точкистартафиламентазасчетразногороданерегулярностейпоказателяпреломления среды распространения, например, турбулентных флуктуаций ватмосфере.Визвестнойлитературепостохастическойфиламентацииультракоротких импульсов до настоящего времени отсутствовал комплексныйстатистическийанализвлиянияатмосфернойтурбулентностинахарактеристики излучения при варьировании параметров импульса (пиковоймощности,диаметрапучка)исостоянияатмосферы(интенсивноститурбулентных флуктуаций). Именно такой анализ представлен в диссертацииДергачева А.А.Множественнаяхарактеризуетсяфиламентациябольшимчисломмощногоизлучения,одновременнокакправило,взаимодействующихфиламентов.

С целью прояснения особенностей формирования и развитиякартины множественной филаментации, а также с целью управления потокамиэнергии и положением плазменных каналов при филаментации важноисследовать взаимодействие отдельных филаментов. В диссертационной работеДергачева А.А. дано решение задачи о когерентном взаимодействии двухскрещенныхфиламентов,возникающихврезультатесамофокусировкипересекающихся лазерных пучков в воздухе и твердом диэлектрике.Структура и содержание работыДиссертация структурно содержит введение, пять глав, заключение,список публикаций автора и список цитируемой литературы. Объем работысоставляет 146 страниц, включая 55 рисунков и 2 таблицы.

Список цитируемойлитературы содержит 205 наименований, включая 4 авторских публикации.Первая глава представляет собой краткий обзор исследований по явлениюфиламентации ультракоротких лазерных импульсов в воздухе. Здесь жеопределены цели и задачи диссертационной работы, сформулированы еенаучная новизна и практическая ценность, приведены защищаемые положения.Во второй главе представлен вывод основных уравнений динамикиоптического поля лазерного импульса в прозрачной диэлектрической среде вусловиях проявления ее нелинейности (эффект Керра, плазмообразование), чтоприводит к филаментации лазерного пучка.

Рассмотрены различные способыупрощенияфинальныхуравнений,численныеметодырешениязадачфиламентации, обсуждается использование параллельных алгоритмов дляреализации предложенных численных методов на вычислительных кластерах.Втретьейглавеприведенырезультатычисленныхрасчетовилабораторных экспериментов по зависимости параметров формирующихсяфиламентов и сопутствующего им плазменного канала от силы начальнойфокусировки фемтосекундного излучения. Интерпретация результатов дана наоснове оригинальной модели динамической кривизны волнового фронта,позволяющей учесть в расчетах распространение мощного излучения черезпроходную оптику.

Рассмотрен вопрос о влиянии астигматизма волновогофронта исходного лазерного пучка на длину плазменного канала филамента.Четвертая глава диссертации посвящена филаментации лазерногоизлучения на протяженных атмосферных трассах в условиях турбулентныхискажений. Дергачевым А.А. установлено, что при малой мощности пучкавероятность появления филаментов убывает с увеличением амплитудытурбулентных флуктуаций. При большой мощности пучка точка стартафиламентаприближаетсятурбулентности.кПри этомвыходулазернойвероятностьнескольких филаментов в мощномсистемыприусиленииодновременного возникновенияпучке максимальна, когда размерпространственных неоднородностей в пучке составляет величину порядкарадиуса пучка.В пятой главе проведено исследование когерентного взаимодействия двухлазерных импульсов в скрещенных пучках в воздухе и в кристалле сапфира.Теоретически воспроизведена картина множественной филаментации в областиперекрытия пучков и ее зависимость от фазовых соотношений между пучками.Предложен оригинальный способ управления пространственной структуройфиламентационной области от взаимодействующих пучков путем изменениявременной задержки между отдельными импульсами.

Также приведенырезультаты по филаментации двух когерентных импульсов с вихревым ибезвихревым фазовым фронтом.В заключении сформулированы основные результаты работы.Диссертантом получен ряд новых результатов, в частности, впервыерассмотрена и проанализирована подробная статистика образования множествафиламентов в турбулентной атмосфере.

Исследована вероятность образованияпервого филамента и продольное положение точки старта филамента. Важнымиявляются исследования Дергачева А.А. по численному моделированиюфиламентации в скрещенных пучках, где установлено, что взаимодействиепересекающихся когерентных филаментов может приводить к образованиюновых некомпланарных филаментов.Обоснованность и достоверность результатовДостоверностьпринципиальнымрезультатовсогласиемсдиссертацииизвестнымивподтверждаетсялитературеихфизическимивоззрениями на явление филаментации лазерного излучения, а также с рядомтеоретических и экспериментальных данных других авторов.НаучнаяДергачева А.А.значимостьсостоитврезультатовразвитиидиссертационнойфундаментальныхработыфизическихпредставлений о взаимодействии ультракороткого лазерного излучения сосредой и докритической плазмой.

Практическая значимость обусловленаперспективами использования полученных в диссертации результатов в рядепрактических задач, таких как доставка световой энергии с наименьшимипотерями на приемник, создание фемтосекундных лидаров для дистанционнойдиагностики компонентов атмосферы, управление грозовым электричеством.Апробация работы и публикацииПо теме диссертации соискателем опубликовано 15 работ, в том числе 6статей в рецензируемых журналах, удовлетворяющих требованиям ВАК,остальные работы – в материалах российских и международных конференций.Все публикации соответствуют теме диссертации и достаточно полно отражаютее основное содержание.Замечания по диссертации1. По тесту диссертационной работы, а особенно в Главе 1, присутствуютнеточности и некоторая размытость формулировок физических явлений ипроцессов, которые автор изучает (лазерный филамент, коллапс пучка,нелинейный фокус, вероятность филаментации).