Влияние параметров фемтосекундного лазерного импульса на филаментацию в атмосфере (1102599), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Исследовать филаментацию мощного фемтосекундного лазерногоимпульса с начальной фазовой модуляцией на километровых трассах в условиях атмосферной турбулентности. Для этого:(а) Разработать эффективный метод, позволяющий численно рассматривать с высоким пространственным разрешением распространение, нелинейно-оптическое взаимодействие и филаментацию фазово-модулированного импульса на протяжённых атмосферных трассах.(б) Исследовать влияние начальной фазовой модуляции фемтосекундного лазерного импульса на его филаментацию в реальныхатмосферных условиях.4.
Разработать эффективную расчётную схему для численного моделирования филаментации фемтосекундных лазерных импульсов ввоздухе. Для этого:(а) На основе вариационно-разностного метода построить консервативную разностную схему на неоднородной сетке.(б) Выбрать оптимальную геометрию построенной неоднороднойсетки для максимального снижения вычислительных затрат.1.3Научная новизна работы1. На основе вариационно-разностного метода построена консервативная расчётная схема на прямоугольной неоднородной сетке, что позволило на порядки сократить объем массивов, обрабатываемых причисленном моделировании филаментации фемтосекундных лазерных импульсов.2.
Построена частотно-зависимая модель филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе, единая для импульсов с различной длиной волны. Модель включает в себя дисперсию керровской нелинейности и фотоионизации. На основе этой модели создани апробирован компьютерный код.3. Впервые выполнено систематическое исследование влияния длиныволны фемтосекундного лазерного импульса на параметры филамента и плазменного канала в воздухе.74. Новой является аналитическая оценка пиковых параметров филамента и плазменного канала на основе анализа кривизны волновогофронта, создаваемой керровской и плазменной нелинейностями.5. Впервые проведён эксперимент по филаментации в воздухе лазерного импульса хром-форстеритового лазера с длиной волны 1240 нм.Определены плотность энергии в филаменте и его радиус.
На основе численного моделирования дан сравнительный анализ параметров филамента для излучения хром-форстеритового и титансапфирового лазера.6. Дано обобщение известной формулы Марбургера для расстояния самофокусировки на случай лазерных пучков с эллиптическим распределением интенсивности. Показана возможность управления расстоянием до старта филамента с помощью импульсов с эллиптическимпространственным распределением интенсивности. Показано, что вимпульсах с эллиптическим пространственным распределением интенсивности формируется картина множественной филаментации,устойчивая к начальным возмущениям поперечного профиля импульса.7. Предложен оригинальный полуаналитический метод для моделирования филаментации на протяжённых атмосферных трассах.
В основе метода лежит мультипликативное представление пространственно-временной зависимости огибающей фемтосекундного лазерногоимпульса на начальном участке распространения. С помощью предложенного полуаналитического метода впервые исследовано влияние начальной фазовой модуляции импульса на его филаментациюна километровой атмосферной трассе.1.4Практическая ценность работы1. Предложенная частотно-зависимая модель филаментации позволяет с единых позиций осуществить исследование явления филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в воздухе и провестисравнение параметров филамента и плазменного канала в импульсах с различной длиной волны.2. Анализ результатов численного моделирования филаментации импульсов с различной длиной волны позволил сделать вывод о влиянии длины волны на параметры филамента и плазменного канала,что может быть использовано для выбора оптимального источника излучения для конкретного приложения.
Параметры филамента,полученные в эксперименте по филаментации в воздухе импульса8на длине волны 1240 нм, позволяют проверить корректность предложенной частотно-зависимой модели и дают информацию о потенциале излучения хром-форстеритового лазера в атмосферных приложениях.3. Найденная зависимость критической мощности самофокусировки отэллиптичности лазерного пучка вместе с полученным обобщениемформулы Марбургера позволяют дать аналитическую оценку расстояния до старта филамента в случае импульсов с эллиптическимпространственным распределением интенсивности.
Увеличение расстояния до старта филамента с ростом эллиптичности распределения интенсивности в поперечном сечении импульса может быть использовано для выбора оптимального начального распределения интенсивности в сечении импульса в целях смещения старта филамента.4. Продемонстрированная устойчивость множественной филаментации к начальным возмущениям профиля в импульсах с эллиптическим пространственным распределением интенсивности может бытьиспользована для регуляризации множественной филаментации.5.
Предложенный оригинальный полуаналитический метод значительно сокращает время, затрачиваемое при численном моделированиифиламентации лазерных импульсов в условиях турбулентности напротяжённых атмосферных трассах.6. Построенная расчётная схема на неоднородной сетке позволяет сократить на порядки объемы массивов, обрабатываемых при численном моделировании филаментации, что приводит к значительномусокращению времени вычислений.1.5Защищаемые положения1. В филаменте фемтосекундного лазерного импульса в воздухе с увеличением длины волны излучения увеличивается радиус филаментаи количество переносимой им энергии, в плазменном канале возрастает его радиус, уменьшается концентрация и линейная плотностьэлектронов. Интенсивность и поверхностная плотность энергии вфиламенте практически не зависят от длины волны лазерного импульса.2.
Насыщение роста интенсивности в лазерном импульсе в процессефиламентации происходит вследствие выравнивания вклада керровской и плазменной нелинейности в кривизну волнового фронта. Равенство абсолютных приращений показателя преломления за счёт9самофокусировки в воздухе и дефокусировки в плазме имеет местопосле насыщения интенсивности.3. Формула Марбургера для расстояния самофокусировки круговыхпучков справедлива и для пучков с эллиптическим распределением интенсивности при использовании в качестве характерных параметров такого пучка критической мощности самофокусировки ипродольного масштаба, зависящих от эллиптичности.4. С увеличением эллиптичности начального распределения интенсивности в плоскости поперечного сечения импульса возрастает критическая мощность самофокусировки и, как следствие, увеличиваетсярасстояние до старта филамента.5.
Расположение филаментов при множественной филаментации в импульсах с эллиптическим распределением интенсивности в плоскости поперечного сечения является устойчивым к начальным возмущениям профиля пучка.6. Представление в мультипликативном виде пространственно-временной зависимости амплитуды поля лазерного импульса, при которомего временная форма описывается в рамках линейной теорией дисперсии, справедливо с заданной точностью на начальном участкераспространения при филаментации.7.
Расчётная схема, построенная с помощью вариационного метода нанеоднородной сетке, позволяет на порядки сократить вычислительные затраты при численном моделировании явления филаментациибез потери точности.1.6Апробация результатов работыОсновные результаты работы опубликованы в 9 научных статьях вжурналах «Квантовая электроника», «Laser Physics», «Оптика атмосферы и океана», «Proceedings of SPIE», «The European Physical Journal D»,«Оптика и Спектроскопия».Результаты докладывались на международных конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2003» (15–18 апреля 2003 года, Москва); XIth conferenceon laser optics (LO 2003) (30 июня – 4 июля 2003 года, Санкт-Петербург);Третья международная конференция молодых ученых и специалистов«Оптика-2003» (20–23 октября 2003 года, Санкт-Петербург); «Фундаментальные проблемы оптики» (ФПО 2004) (18–21 октября 2004 года, Санкт-Петербург); Photonics west, symposia lasers and applications in10science and engineering (LASE 2005) (22–27 января 2005 года, Сан-Хосе,Калифорния, США); International conference on coherent and nonlinearoptics / International conference on lasers, applications and technologies(ICONO/LAT 2005) (11–15 мая 2005 года, Санкт-Петербург); Internationalconference on high power laser beams (HPLB 2006) (3–8 июля 2006 года,Нижний Новгород – Ярославль –Нижний Новгород); SPIE symposium onoptics and photonics (13–17 августа 2006 года, Сан-Диего, Калифорния,США); Международный научно-практический семинар и молодежнаяшкола «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (12–17 декабря 2006 года, Санкт-Петербург); Internationalconference on coherent and nonlinear optics / International conference onlasers, applications and technologies (ICONO/LAT 2007) (28 мая – 1 июня2007 года, Минск, Беларусь); 2nd international symposium on filamentation(COFIL 2008) (22–25 сентября 2008 года, Париж, Франция); Шестая всероссийская отраслевая научно-техническая конференция «Проблемы создания лазерных систем» (1–3 октября 2008 года, г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
