Автореферат (1102748), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Приведенырезультаты экспериментальных и теоретических работ, которые даютпредставление о физических процессах, определяющих и сопровождающихявление генерации терагерцового излучения при филаментациифемтосекундных импульсов.9Параграф 1 посвящен генерации терагерцового излучения прифиламентации излучения на основной частоте титан-сапфирового лазера.В разделе описаны эксперименты по удаленной генерации терагерцовогоизлучения на таких установках, как «Терамобиль», определениюкогерентноститерагерцовогоизлученияпучканесфазированныхстохастических филаментов и одного филамента в воздухе, угловойнаправленности терагерцового излучения.
Также приведен обзорэкспериментов по регистрации углового распределения терагерцовогоизлучения плазменных каналов размера порядка 10 мкм, методов улучшениянаправленности терагерцового излучения с использованием двух филаментови методов увеличения энергии терагерцового сигнала, анализаполяризационных свойств терагерцового излучения филамента.В Параграфе 2 обсуждается влияние внешнего электростатическогополя на энергию и направленность терагерцового излучения прифиламентации лазерного излучения.Параграф 3 посвящен характеристикам терагерцового излучения придвуцветной филаментации. Двуцветной филаментацией в данной работеназывается режим коллинеарного распространения импульсов основной ивторой гармоник титан-сапфирового лазера в филаменте.
Обсуждается ростинтенсивности терагерцового сигнала при использовании в экспериментевторой гармоники наряду с основной, кольцевой пространственный профильтерагерцового излучения, зависимость энергии терагерцового излучения отзадержки и фазы между импульсами основной и второй гармоник,спектральное распределение и поляризация терагерцового сигнала.В Параграфе 4 описаны экспериментальные результаты по генерациитерагерцового излучения при смешении нескольких частот, а также прифокусировке оптических импульсов длительностью в один период колебанийполя.Параграф 5 содержит обзор существующих теоретических подходов,используемых для описания терагерцового излучения фемтосекундногофиламента в газах.В Главе 2 «Методика численного моделирования генерациии распространениятерагерцовогоизлученияприфемтосекунднойфиламентации в газах» описана математическая модель, используемаяв данной работе для численного расчета процесса распространения мощныхсверхкоротких лазерных импульсов в газах и генерации и распространениятерагерцового излучения.10В Параграфе 1 представлена математическая модель распространенияфемтосекундного лазерного излучения в газах.
В отсутствие множественнойфиламентации применима аксиально-симметричная модель распространениялазерного излучения. Для аксиально-симметричной задачи распространенияфемтосекундного излучения используется однонаправленное уравнениераспространения для быстро осциллирующей спектральной компоненты!!электрического поля ! , , = ! ! ! !! , , !!"# :!!!"+ ! ! , , = − ! ! !!"!!"" ! , , + ! , , (1)где ! = ! ! / ! − !! и ! — продольная и поперечная компонентыволнового вектора,! ! — функция Бесселя нулевого порядка, — показатель преломления газа,! , , = !!!! , , порядка,! , , — нелинейная поляризация третьего (!) — нелинейная восприимчивость вещества, соответствующая значениюнелинейного показателя преломления воздуха,!"" , , — нелинейный фототок, причем !"" = ! + !"# , где ! — токсвободных электронов:!! !,!,!!"=!!!! , , , , − ! ! , , ,!"# , , = ! !,!,! !! !,!,! !,!,! !!"— ток поглощения,e, m — заряд и масса электрона, νс ≈ 5 пс–1 — частота столкновенияэлектронов с нейтралами, Ui — потенциал ионизации частиц газа, Ne —плотность свободных электронов, определяемая выражением.!! !,!,!!"= ! , , !! − ! , , .Здесь N0 — концентрация нейтральных атомов, Wi — вероятность ионизацииатома, рассчитываемая по теории Переломова-Попова-Терентьева.Уравнение (1) учитывает дифракцию и дисперсию излучения при егораспространении в газе, керровскую и плазменную нелинейности, потери наионизацию среды в процессе филаментации.В Параграфе 2 представлены методы численного решения задачио генерации и распространении терагерцового излучения при филаментации,11параметры расчетной сетки; обсуждаются проблемы, возникающие причисленном моделировании.В Параграфе 3 показаны использованные методы обработки данныхчисленного моделирования, необходимые для представления результатоврасчета в формате данных, регистрируемых экспериментально.В Параграфе 4 описана модель суперпозиции локальных плазменныхисточников терагерцового излучения, созданного двумерным кластеромплазменных каналов филаментов, использованная в данной работе дляинтерпретации формирования углового распределения терагерцового сигналафиламента и регулярного кластера филаментов.
Модель позволяет получитьугловое распределение терагерцового излучения и зависимость угла раствораконуса терагерцового сигнала от длины волны излучения и длиныплазменного канала.Глава 3 «Угловое распределение терагерцового излучения прифиламентации излучения на основной частоте титан-сапфирового лазера»посвящена численному исследованиюдиаграммынаправленноститерагерцового излучения одного филамента и кластера регулярныхфиламентов. Регулярный кластер сформирован двумерным массивомплазменных каналов филаментов.
Получены диаграммы направленности ТГцсигнала плазменных каналов различных длин, хорошо согласующиеся сэкспериментальными данными. Показано, что короткие филаменты могутслужить источником терагерцового излучения, распространяющегося внаправлении, противоположном направлению распространения лазерногоизлучения, а использование сфазированного кластера филаментов в качествеисточника терагерцового сигнала позволяет увеличить долю энергиитерагерцового излучения, распространяющегося под небольшим углом к осираспространения. Определены оптимальные параметры кластера филаментовдля генерации слабо расходящегося терагерцового излучения.В Параграфе 1 представлены полученные в численном моделированииугловые распределения терагерцового излучения одиночного филаментав отсутствие внешнего поля и при его наличии.12Рис.
1. Диаграмма направленности ТГц излучения филамента (сплошная кривая) длины L= 1, 3, 10 см в отсутствие электростатического поля (а – в). Штриховой линией на (а)показано излучение малого участка филамента; (г – е) Диаграмма направленноститерагерцового излучение филамента (сплошная линия) длины L = 1.5, 5, 10 см приналичии внешнего поля. Штриховой линией на (г) показано излучение малого участкафиламента.Показано, что в отсутствии внешнего электростатического поля на осифиламента имеется минимум поля, а максимум достигается под углом ~ 10°(Рис. 1(а–в)). Увеличение длины филамента приводит к уменьшению углараствора конуса.При наличии внешнего электростатического поля терагерцовоеизлучение распространяется преимущественно вперед, его расходимостьуменьшается с ростом длины филамента (Рис.
1(г–е)). Наблюдаемый вэкспериментах рост энергии терагерцового сигнала во внешнем полеобъясняется появлением дипольных локальных плазменных источников.В Параграфе 2 предлагается метод управления диаграммойнаправленноститерагерцовогоизлученияприиспользованиисфазированного массива филаментов в качестве источника. Полученыдвумерные (Рис. 2) и трехмерные (Рис. 3) диаграммы направленноститерагерцового излучения одного филамента, а также кластеров филаментов.При увеличении количества филаментов в кластере на диаграмменаправленности появляются дополнительные боковые лепестки, то есть доляизлучения, распространяющегося под малым углом, уменьшается. Кроме13того, на вид углового распределения существенно влияет расстояние междуфиламентами в кластере.(a) N = 1(б) N = 25(в) N = 49Рис.
2. Двумерные диаграммы направленности ТГц излучения фемтосекундногофиламента (а), а также кластеров (б, в) филаментов с расстоянием между филаментами,равным длине волны ТГц излучения.Определены оптимальные значения количества филаментов в кластереи расстояния между ними. Оптимальный кластер обладает наименьшейрасходимостью центрального конуса при условии, что этот конус содержитосновную часть энергии терагерцового излучения. Установлено, чтонаибольшему значению энергии излучения конуса при наименьшей егорасходимости соответствует расстояние между филаментами в кластере,равное одной длине волны терагерцового излучения.(а) N = 25(б) N = 49(в) N = 100Рис. 3.
Трехмерные диаграммы направленности терагерцового излучения кластеров,состоящих из 25 (а), 49 (б) и 100 (в) филаментов. Расстоянием между филаментами вкластере равно длине волны ТГц излучения.14Численный расчет кластеров различных размеров показал, чтооптимальным является количество филаментов в кластере N = 16. Уголрасходимости центрального конуса в этом случае составляет примерно 5°,и содержит около 95% энергии. При дальнейшем увеличении количествафиламентов существенного уменьшения угла раствора конуса не происходит,но его доля энергии уменьшается в связи с появлением дополнительныхлепестков с большим углом раствора на диаграмме направленности.L = 1 ммL = 2 ммL = 3 ммРис. 4 Диаграммы направленности излучения с частотой 0.1 ТГц филаментадлиной L = 1 мм (а), 2 мм (б) и 3 мм (в).В Параграфе 3 представлены численно полученные диаграммынаправленности терагерцового излучения при плотной фокусировкеоптического импульса.Исследована возможность генерации терагерцового излучения,распространяющегося в направлении, противоположном направлениюраспространения лазерного излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
