Диссертация (1102749)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТКАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ И ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВНа правах рукописиАндреева Вера АлександровнаГенерация терагерцового излучения при филаментации фемтосекундного лазерногоимпульса в газахСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительд.ф.-м.н., профессорО.Г. КосареваМосква – 2017СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ5ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕИССЛЕДОВАНИЙЯВЛЕНИЯ 14ГЕНЕРАЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИФИЛАМЕНТАЦИИ В ГАЗАХ§1.
Генерация терагерцового излучения при филаментации 14излучения на основной частоте титан-сапфирового лазера§2. Влияние внешнего электростатического поля на энергию и 19направленность терагерцового излучения при филаментациилазерного излучения§3. ХарактеристикиТГцизлученияприколлинеарном 21распространении импульсов основной и второй гармониктитан-сапфирового лазера в филаменте§4. Генерациятерагерцовогоизлученияприсмешении 26нескольких частот, а также при фокусировке оптическихимпульсов длительностью один период колебаний поля§5. Теоретическиеподходыкописаниютерагерцового 28излучения филаментаГЛАВА 2. МЕТОДИКАЧИСЛЕННОГОГЕНЕРАЦИИИТЕРАГЕРЦОВОГОМОДЕЛИРОВАНИЯ 34РАСПРОСТРАНЕНИЯИЗЛУЧЕНИЯПРИФЕМТОСЕКУНДНОЙ ФИЛАМЕНТАЦИИ В ГАЗАХ§1.
Математическая формулировка задачи34§2. Метод численного решения39§3. Обработка результатов численного эксперимента42§4. Модель суперпозиции локальных плазменных источников 432терагерцового излученияГЛАВА 3. УГЛОВОЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕТЕРАГЕРЦОВОГО 47ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЯНА ОСНОВНОЙ ЧАСТОТЕ ТИТАН-САПФИРОВОГОЛАЗЕРА§1.
Угловое распределение терагерцового излучения одиночного 47филамента§2. Управлениедиаграммойнаправленноститерагерцового 49излучения при использовании сфазированного массивафиламентов в качестве источника§3. Диаграмма направленности терагерцового излучения при 53плотной фокусировке оптического импульсаГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕСВОЙСТВАИСПЕКТРАЛЬНЫЕ 56ТЕРАГЕРЦОВОГОКОЛЛИНЕАРНОМИЗЛУЧЕНИЯПРИРАСПРОСТРАНЕНИИИМПУЛЬСОВ ОСНОВНОЙ И ВТОРОЙ ГАРМОНИКТИТАН-САПФИРОВОГО ЛАЗЕРА В ФИЛАМЕНТЕ§1.
Изменениеспектральногораспределениятерагерцового 56излучения при коллинеарном распространении импульсовосновной и второй гармоник титан-сапфирового лазера вфиламенте§2. Формированиекольцевогопространственного 63распределения терагерцового излучения при коллинеарномраспространении импульсов основной и второй гармониктитан-сапфирового лазера в филаменте§3. Механизмы генерации терагерцового излучения и их 68влияние на спектральные и пространственные свойстватерагерцового сигнала3ГЛАВА 5. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ 75КОЛЛИНЕАРНОМРАСПРОСТРАНЕНИИВФИЛАМЕНТЕ ИМПУЛЬСОВ ОСНОВНОЙ И ВТОРОЙГАРМОНИК(800+400НМ)СНЕЗАВИСИМООРИЕНТИРОВАННОЙ ЛИНЕЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙВЫВОДЫ85БЛАГОДАРНОСТИ87ЛИТЕРАТУРА884ВВЕДЕНИЕТерагерцовым называют излучение частотного диапазона 0.1 – 10 ТГц (1 ТГц =1012 Гц), располагающееся между микроволновым и инфракрасным излучением на шкалечастот (рис. 1.1). К терагерцовому также часто относят излучение дальнего ИК диапазонас частотой вплоть до 100 ТГц.Длинаволны,мРентгеновскоеизлучениеУФТГцизлучениеИКМикроволныРадиоволныЧастота,ГцРис.
1.1 ТГц излучение на шкале частот и длин волн электромагнитного излучения(адаптация и перевод с веб-сайта http://www.dekhnews.com/terahertz-radiation-could-speedup-computer-memory/)ТГц излучение вызывает большой интерес, поскольку является удобныминструментом для различных приложений [1 – 3]. Излучение ТГц диапазона можетпроникать сквозь ткани и пластик, не повреждая при этом материал в отличие отрентгеновского излучения [ 4 ], так как обладает низкой энергией фотона (1 ТГцсоответствует приблизительно 4.1 мэВ). Кроме того, многие вещества имеютвращательный и колебательные спектры поглощения на ТГц частотах, своего родаспектральные "отпечатки пальцев".
Это свойство используется в ТГц спектроскопиивременного разрешения для идентификации химических веществ [3, 5]. Для приложений,связанных с безопасностью, разрабатываются системы обнаружения, позволяющиеполучать изображения и идентифицировать содержимое почтовых ящиков и конвертов, невскрывая их [ 6 , 7 ]. Кроме того, с помощью ТГц спектроскопии и исследованиянелинейного взаимодействия высокоинтенсивного ТГц излучения с веществом можнополучитьуникальнуюдиэлектрическойинформациюпроницаемостиосвойствах[8 – 12].Вэтихвеществ,последниегодынапример,огенерациявысокоинтенсивного ТГц излучения представляет значительный интерес как дляфундаментальных исследований, так и для прикладных целей [13 – 17].
Поскольку ТГцизлучение обладает более высокой частотой, чем микроволновое, оно может бытьиспользовано для высокоскоростной передачи информации [18]. На сегодняшний день5ТГц технологии также активно применяются в медицинских исследованиях [ 19 ],информационных технологиях [20] и других приложениях.ТГц излучение обладает слишком высокой частотой, чтобы генерировать его спомощью твердотельных устройств.
С другой стороны – его длина волны слишком великадля эффективной генерации тепловыми устройствами. Из-за этого не так давно ТГцчастотный диапазон окрестили “ТГц провалом” [21, 22]. За последние десятилетия этот«провал» в значительной мере закрылся: прогресс в оптических технологиях позволилзакрыть ТГц область с высокочастотной стороны, а развитие электроники – снизкочастотной.
За последние 20 лет было развито два подхода к практической генерацииТГц волн: преобразование электромагнитного излучения с повышением частоты ипреобразование с понижением частоты. Сейчас ТГц технологии являются активноизучаемой и развивающейся областью знаний.Можно выделить три основных метода генерации ТГц излучения: помощьюустройств твердотельной электроники [ 23 ], квантово-каскадных лазеров [ 24 , 25 ] иоптические методы [26].
В квантово-каскадных лазерах удалось получить ТГц излучение сузким спектральным пиком в диапазоне 0.84 – 5 ТГц с мощностью до 250 мВт [25].Спомощью приборов твердотельной электроники можно генерировать ТГц излучение счастотой около 1 ТГц и мощностью до 10.9 мкВт [23]. Оптические методы генерации ТГцизлучения можно разделить на две категории: генерация ТГц излучения в нелинейныхсредах (оптическое выпрямление [ 27 ], генерация разностной частоты [ 28 ]) и приускорении электронов (фотопроводящие антенны [29], газовая плазма или плазменныйканал филамента [30]).Определение механизмов генерации и управление пространственно-временнымисвойствами терагерцового сигнала при взаимодействии мощных лазерных импульсов сгазами представляет большой̆ интерес для фундаментальных и прикладных аспектовсовременной нелинейной оптики. В самом деле, в газовой среде отсутствует ограничениесверху на энергию импульса накачки, связанное с оптическим пробоем и разрушениемматериала.
Следовательно, энергия выходного терагерцового сигнала определяетсяэффективностью нелинейного преобразования и может быть существенно увеличенапутем ее оптимизации. Наибольший интерес представляет возможность формированияинтенсивного терагерцового сигнала с широким спектром и узкой диаграммойнаправленности в заданной удаленной точке пространства. Нелинейные процессывзаимодействиямощноголазерногоизлучениясосредойприфемтосекунднойфиламентации приводят к генерации терагерцового излучения, однако вопрос о вкладах6различных нелинейных механизмов и их влиянии на свойства терагерцового сигналафиламента не был решен на момент начала работы над диссертацией.Пионерские эксперименты по генерации терагерцового излучения из плазмыоптического пробоя были опубликованы в 1993–1994 годах в работах Hamster и Falcone, ас 2000 года в режиме филаментации в воздухе (Roskos, Cook, Mysyrowicz).
Автордиссертации опубликовала первую теоретическую работу по исследованию механизмовгенерации терагерцового излучения в филаменте в 2011 году и затем работала всотрудничестве с экспериментальными группами проф. А.П. Шкуринова (МГУ имениМ.В. Ломоносова) и S.L. Chin (Université Laval, Квебек, Канада). Таким образом,теоретические исследования автора актуальны, соответствуют новейшим мировымдостижениям, позволяют анализировать и планировать эксперименты по генерациитерагерцового излучения в газах атмосферной плотности.ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫЦель исследования состоит в теоретическом анализе и численном моделированиигенерации терагерцового излучения, его пространственно-временных характеристик,частотного спектра и поляризации при фемтосекундной филаментации в газах.Поставлены и решены следующие конкретные задачи:1.Создание векторной модели для светового поля, позволяющей описыватьколлинеарное распространение фемтосекундных импульсов в газах на несколькихцентральных длинах волн, обогащение спектра входного излучения частотами от третьейгармоникидотерагерцевогодиапазонавследствиекерровскойиплазменнойнелинейностей, уширение углового спектра на десятки градусов, вращение эллипсаполяризации оптического и терагерцового излучения.2.сигналаИсследование механизмов формирования широкополосного терагерцовоговдвуцветномчетырехволновогофемтосекундномсмешения,определениефиламентевлияниявусловияхкерровскойвырожденногоиплазменнойнелинейностей на спектр терагерцового излучения филамента.3.Исследованиеприродыформированияугловогораспределениятерагерцового излучения при филаментации мощного фемтосекундного лазерногоимпульса ближнего инфракрасного диапазона в газах и получение узконаправленноготерагерцового сигнала.4.Исследование процесса вращения поляризации терагерцового сигнала и егоэллиптизации при изменении угла между начальными направлениями векторов поля7линейно поляризованного излучения накачки и второй гармоники при двуцветнойфиламентации.НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ1.
Впервые выполнено самосогласованное численное исследование генерации ираспространения терагерцового излучения при фемтосекундной филаментации в газах.2. Установлено, что вклад керровской нелинейности в генерацию терагерцовогоизлучения при распространении двухчастотного лазерного импульса в газе доминирует дообразования филамента, на стадии, когда плотность лазерной плазмы пренебрежимо мала.Вклад плазменной нелинейности на два порядка превышает вклад керровскойнелинейности в развитом филаменте.3.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
