Автореферат (1102748), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Установлено, что на диаграмменаправленности терагерцового излучения филаментов длиной 1 – 3 ммнаблюдается компонента, распространяющаяся под углом ~ 140° к осифиламента (Рис. 4). Интенсивность компоненты, распространяющейся подуглом в диапазоне 90° – 270° растет с уменьшением длины филамента.В Главе 4 «Пространственные и спектральные свойства терагерцовогоизлучения при коллинеарном распространении импульсов основной и второйгармоник титан-сапфирового лазера в филаменте» представленоисследование влияния механизмов генерации терагерцового излучения вдвуцветном филаменте на спектральные и пространственные свойстватерагерцового сигнала. Показано, что можно разделить вклады откликанейтралов и свободных электронов в спектре и в пространственномраспределении терагерцового излучения.
Вклад нейтралов в спектральноераспределение терагерцового излучения является слабым и более15высокочастотным по сравнению с вкладом свободных электронов лазернойплазмы. Терагерцовое излучение, обусловленное откликом нейтральныхмолекул, распространяется в направлении распространения лазерногоизлучения. Терагерцовый отклик плазмы имеет кольцевое пространственноераспределение с ярко выраженным минимумом на оси филамента. Такойкольцевой пространственный профиль терагерцового излучения наблюдаетсякак при филаментации сфокусированного лазерного излучения, так иколимированного.В Параграфе 1 представлены результаты численного исследованияформирования спектрального распределения терагерцового излучения приколлинеарном распространении импульсов основной и второй гармониктитан-сапфирового лазера в филаменте.Установлено,чтонаначальнойстадиисамофокусировки,определяемой керровской нелинейностью среды, когда плотность лазернойплазмы близка к нулю, отклик нейтральных молекул среды вносит основнойвклад в генерацию терагерцового сигнала.
Максимум спектра терагерцовойэмиссии на этом этапе расположен на частоте порядка обратнойдлительностилазерногоимпульсав соответствиисмодельючетырехволнового смешения. Далее из-за резкого роста концентрациисвободных электронов в генерации терагерцового сигнала начинаетдоминировать вклад плазменной нелинейности. С образованием плазмымаксимум спектра терагерцового излучения испытывает резкий переход внизкочастотную область около плазменной частоты (Рис. 5).
Интенсивностьнизкочастотного спектрального максимума на два порядка превышаетинтенсивностьмаксимуматерагерцовойэмиссии,обусловленнойвоздействием керровского эффекта.В Параграфе 2 изложены результаты численного исследованияформирования кольцевого пространственного распределения терагерцовогоизлучения при коллинеарном распространении импульсов основной и второйгармоник титан-сапфирового лазера в филаменте.В начале распространения, пока интенсивность лазерного излучения недостаточна для ионизации среды, на частотно-угловом распределенииимеется яркий терагерцовый максимум около 0°, что соответствуетраспространяющемуся вдоль оси филамента терагерцовому сигналунейтралов. Максимум терагерцового излучения, обусловленного откликомнейтральных атомов или молекул, растет при распространении лазерногоизлучения и увеличения его интенсивности под действием керровскойфокусировки в газе.16Рис.
5. Спектры излучения в диапазоне 0.05 – 1000 ТГц (а) и его терагерцовая часть (б),полученные в численном моделировании.При достижении лазерным излучением интенсивности, достаточнойдля ионизации молекул воздуха, в частотно-угловом спектре излученияпоявляется структура с двумя «крыльями», что соответствует кольцевомупространственному профилю терагерцового сигнала свободных электроновлазерной плазмы. При дальнейшем распространении лазерного излучениякольцевая структура усиливается, появляется ярко выраженный минимумтерагерцового сигнала на оси филамента (Рис.
6).В Параграфе 3 изложены результаты численного исследованиямеханизмов генерации терагерцового излучения и их влияние наспектральные и пространственные свойства терагерцового сигнала.Рис. 6 Пространственное (а) и частотно-угловое (б) распределения терагерцовогоизлучения филамента.В численном моделировании были последовательно «выключены»вклады физических механизмов, участвующих в фемтосекунднойфиламентации. Вначале был исследован случай чисто керровской среды,17когда лазерное излучение фокусируется за счет совместного действия линзыи керровской нелинейности нейтральных молекул воздуха в условияхдифракции, но без учета дисперсии показателя преломления воздухаи образования плазмы.
В такой среде терагерцовый отклик распространяетсявперед по направлению распространения лазерного излучения. Значит,в начале распространения лазерного излучения формируется источникосевого терагерцового излучения.В случае, соответствующем реальному эксперименту, когда учтеныплазменная и керровская нелинейности, а также дисперсия и дифракциясреды, на частотно-угловом распределении по мере распространениялазерного излучения и увеличения плотности свободных электроновобразуется яркое кольцо. Спектральная интенсивность излучения,распространяющегося в кольцо, на два порядка больше, чем интенсивностьизлучения, распространяющегося вдоль оси филамента.В третьем численном эксперименте керровский отклик среды неучитывался, и фокусировка лазерного излучения происходила только за счетвнешнего воздействия линзы.
В этом случае частотно-угловые спектрыи структура пространственного распределения терагерцового сигнала вомногом похожи на ранее рассмотренный случай. Таким образом,терагерцового излучение, обусловленное наличием нелинейного фототока,является доминирующим и вторым по очередности в ходе распространения.Плазменный канал действует как препятствие на пути распространениятерагерцового излучения, что приводит к формированию характерногокольцевого пространственного профиля терагерцового сигнала.Влияние керровской нелинейности на частотно-угловой спектрпроявляется в виде четко выраженного локального максимума на осираспространения.Для демонстрации универсальности пространственного распределениятерагерцового излучения проведено моделирование филаментацииколлимированного двуцветного лазерного импульса с параметрами,аналогичными предыдущему случаю.
Показано, что излучение с болеевысокой частотой распространяется в кольцо с меньшим диаметром.В Главе 5 «Поляризация терагерцового излучения при коллинеарномраспространении в филаменте импульсов основной и второй гармоник(800 + 400 нм) с независимо ориентированной линейной поляризацией»представлено численное и аналитическое исследование поляризациитерагерцовогоизлучения,генерирующеесяприколлинеарномраспространении в филаменте импульсов основной и второй гармоник18(800 + 400 нм) с независимо ориентированной линейной поляризацией.Показано, что поляризация терагерцового излучения линейна и сонаправленас поляризацией основной гармоники, если угол между поляризациямиосновной и второй гармоник меньше 80°; дальнейшее увеличение угла до 90°приводит к значительной эллиптизации терагерцового излучения ивращению его поляризации к вектору поляризации второй гармоники.Самоиндуцированная лазерная плазма определяет угол поляризациитерагерцового излучения.
Эллиптизация терагерцового сигнала вызваначирпированием и эллиптизацией второй гармоники в присутствии сильногополя основной гармоники.В главе представлены результаты численного моделированияфиламентации и генерации терагерцового сигнала для различных начальныхзначений угла между поляризациями основной и второй гармоник от 0° до90° с шагом 0.5° – 5°. Показано, что поляризация терагерцового излученияориентирована по направлению поляризации основной гармоники призначении угла 0° ≤ ψ0 ≤ 80°, где ψ0 – начальное значение угла междуполяризациями основной и второй гармоник.
Значение угла β междунаправлениями поляризаций ТГц излучения и основной гармоники быстровозрастает до 90° при 80° ≤ ψ0 ≤ 90° (Рис. 7).Эллиптичность терагерцового излучения, определяемая как отношениеполуосей эллипса поляризации, возрастает с увеличением угла ψ0 приψ0 < 80°, достигает максимума при ψ0 ≈ 85° и далее уменьшается до нуля приувеличении ψ0 до 90°. При этом с увеличением угла ψ0 происходитуменьшение терагерцового сигнала на порядок.Исследовано изменение поляризации терагерцового сигнала прираспространении лазерного излучения. Пока концентрация свободныхэлектронов пренебрежимо мала, угол поляризации терагерцового излучениясогласуется с полученным с помощью модели четырехволнового смешения.Однако после образования плазмы угол терагерцового поляризации резкоуменьшается. Эллиптичность терагерцового сигнала резко возрастаетв развитом филаменте.
После прохождения лазерным излучениемгеометрическогофокусаростэнергиитерагерцовогосигналаостанавливается, и трансформация его поляризации также прекращается.19Рис. 7 Состояние поляризации ТГц излучения (a-д) и второй гармоники (е) приразличных значениях угла между поляризациями основной и второй гармоник. Длясопоставления приведены экспериментальные результаты, полученные сотрудникамилаборатории терагерцовой оптоэлектроники и спектроскопии физического факультетаМГУ имени М.В.Ломоносова (М.Н. Есаулковым, П.М.
Солянкиным, А.П. Шкуриновым).Основные результатыВ результате данной работы впервые выполнено комплексноечисленное исследование генерации терагерцового излучения прифиламентации фемтосекундноголазерногоимпульса. Разработанаматематическаямодельи численнаясхемадляисследованияраспространения мощного лазерного излучения в газах с учетомбыстроосциллирующей несущей электромагнитного поля без параксиальногоприближения, позволяющая исследовать генерацию и распространениесильно расходящегося терагерцового сигнала филамента. На основе этоймодели в работе изучены общие закономерности формирования частотноуглового спектра и поляризации терагерцового излучения при филаментации,определены вклады различных нелинейных механизмов в генерацию20терагерцового сигнала филамента, показана возможность управленияпространственным распределением терагерцового излучения.В результате анализа свойств терагерцового излучения установленымеханизмы генерации терагерцового сигнала двуцветного филаментав воздухе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
