Диссертация (1102749), страница 15
Текст из файла (страница 15)
В каждом случае на диаграмме направленностинаблюдается компонента, распространяющаяся под углом ∼140° к оси филамента всогласии с [60].Как видно из Рис. 3.7(г – е), при наличии внешнего электростатического поля,перпендикулярногоосифиламента,ТГцизлучениекороткогофиламентараспространяется преимущественно под углами 0° и 180° к оси филамента.Видно, что интенсивность компоненты, распространяющейся под углом вдиапазоне 90° – 270° в обоих случаях растет с увеличением длины волны ТГц излучения иуменьшением длины филамента. На Рис.
3.8 показана зависимость доли энергии,распространяющейся в направлении, противоположном направлению распространения53лазерного излучения, от частоты ТГц излучения для филамента длиной L = 1 мм в случаеотсутствия (квадраты) и наличия (звезды) внешнего электростатического поля. Для такогофиламента порядка 30% энергии на длине волны 0.1 ТГц распространяется.L = 1 ммL = 2 ммL = 3 ммРис.
3.7 Диаграммы направленности излучения с частотой 0.1 ТГц филамента длиной L =1 см (а, г), 3 мм (б, д), 1 мм (в, е) в отсутствии (а – в) и при наличии внешнего поля (г – е)Рис. 3.8 Зависимость доли энергии, распространяющейся в обратном направлении, отчастоты ТГц излучения для филамента длиной L = 1 мм в случае отсутствия (квадраты) иналичия (звезды) внешнего электростатического поляТакимобразом,разработаннаямодельгенерацииТГцизлученияприфиламентации удовлетворительно описывает не только угловое распределение ТГцизлучения длинных филаментов, распространяющееся в конус, но, в отличие от модели54[43, 45], и излучение коротких плазменных каналов, распространяющееся под углом вдиапазоне 90° – 270° [60].Таким образом, разработанная модель генерации ТГц излучения плазменногоканала филаменты удовлетворительно описывает экспериментальные результаты погенерации ТГц излучения, распространяющегося в направлении распространениялазерного излучения. Диаграммы направленности, полученные в результате численногомоделирования, а также рассчитанная зависимость расходимости ТГц излучениясоответствуют экспериментам.Короткий филамент является источником ТГц излучения, распространяющегосяназад, в удовлетворительном согласии с экспериментальными данными.
Этого впринципе не допускает модель, основанная на черенковском излучении, что говорит оболее широкой области применения предложенной теории.Для управления расходимостью ТГц излучения предложено использоватьрегулярный кластер филаментов в качестве источника. Найдена зависимость углараствора центрального конуса на диаграмме направленности ТГц излучения кластерафиламентов от его размера.
Определены оптимальные с точки зрения генерации слаборасходящегося ТГц излучения параметры кластера.55ГЛАВА 4.ПРОСТРАНСТВЕННЫЕТЕРАГЕРЦОВОГОИСПЕКТРАЛЬНЫЕИЗЛУЧЕНИЯПРИСВОЙСТВАКОЛЛИНЕАРНОМРАСПРОСТРАНЕНИИ ИМПУЛЬСОВ ОСНОВНОЙ И ВТОРОЙГАРМОНИК ТИТАН-САПФИРОВОГО ЛАЗЕРА В ФИЛАМЕНТЕВ данной главе представлено исследование влияния механизмов генерации ТГцизлучения при коллинеарном распространении импульсов основной и второй гармониктитан-сапфирового лазера в филаменте на спектральные и пространственные свойстваТГц сигнала. Показано, что можно разделить вклады отклика связанных и свободныхэлектронов в спектре и в пространственном распределении ТГц излучения. Вкладсвязанных электронов в спектральное распределение ТГц излучения является слабым иболее высокочастотным по сравнению с вкладом свободных электронов лазерной плазмы.ТГц излучение, обусловленное откликом нейтральных молекул, распространяется внаправлении распространения лазерного излучения. ТГц отклик плазмы имеет кольцевоепространственное распределение с ярко выраженным минимумом на оси филамента.Такой кольцевой пространственный профиль ТГц излучения наблюдается как прифиламентации сфокусированного лазерного излучения, так и коллимированного.§1.
Изменение спектрального распределения терагерцового излученияпри коллинеарном распространении импульсов основной и второйгармоник титан-сапфирового лазера в филаментеПроведено численное моделирование филаментации лазерного излучения на длиневолны 800 нм и его второй гармоники (400 нм) с энергией и длительностью 1.4 мДж,150 фс и 10 мкДж, 220 фс, соответственно. Длительности указаны по уровню половиннойинтенсивности. Диаметр входного пучка составляет 2a0 = 3 мм также по уровнюполовиннойинтенсивности.Длинаплазменногоканалавмоделированииприфокусировке лазерного излучения с помощью линзы с фокусным расстоянием f = 15 смсоставляла ~ 1.5 см.
Разбегание основной и второй гармоники во времени из-за различияих групповых скоростей на трассе длиной 20 см пренебрежимо мало по сравнению сдлительностями гармоник.Изменение спектра электро-магнитного излучения, а также его ТГц части прираспространении лазерного излучения показано на Рис. 4.1(б-с). Представленные спектрысоответсвуют расстояниям распространения z = 12 см (б, в), 13 см (г, д), 13.8 см (е, ж),14.2 см (з, и), 14.4 см (к, л), 14.52 см (м, н), 14.57 см (о, п), 15.1 см (р, с).
Пиковаяинтенсивность излучения в зависимости от расстояния распространения показана на56Рис. 4.1(а). Область, отмеченная красным, на Рис. 4.1(б-с) изображает спектр основнойгармоники, синим – второй гармоники, серым – генерирующегося ТГц излучения. Помере распространения спектры основной и второй гармоник уширяются в виду фазовойсамо-икроссмодуляции.Наначальнойстадиисамофокусировки(z ≤ 14см),определяемой керровской нелинейностью, плостность лазерной плазмы близка к нулю, иотклик нейтральных молекул среды вносит основной вклад в генерация ТГц сигнала.Максимум спектра ТГц эмиссии на этом этапе расположен на частоте порядка обратнойдлительностилазерногоимпульса(Рис.4.1(б-ж))всоотвествиисмодельючетырехволнового смешения [112].Отметим, что основная и вторая гармоники при филаментации становятся сильночирпированными, за исключением специальных условий [ 157 ]. Поэтому фазовоесогласование для четырехволнового смешения основной и второй гармоник в филаментевсегда реализуется.ТГцсиналнейтральныхмолекулдостигаетмаксимуманарасстояниираспространения z ≈ 13.8 см (Рис.
4.1(е, ж)). Далее из-за резкого роста концентрациисвободных электронов в генерации ТГц сигнала начинает доминировать вкладплазменной нелинейности. С образованием плазмы максимум спектра ТГц излученияиспытывает скачок в низкочатотную область около 0.5 – 1 ТГц (Рис.
4.1(з-с)). Динамикаположения максимума спектра ТГц сигнала при распространии и возрастании плотностисвободных электронов показана на Рис. 4.2(б).Начиная с расстояния z ≥ 15 см ТГц спектр в численном моделировании выглядиткак типичное спектральной распределение, регистрируемое в эксперименте (Рис. 4.2(с))[37 – 40]. Интенсивность низкочастотного спектрального максимума на 3 порядкапревышает интенсивность максимума ТГц эмиссии, обусловленной воздействиемкерровского эффекта на стадии самофокусировки z ≤ 14 см.
Из-за этого ТГц излучениенейтральных молекул сложно зарегистрировать в эксперименте.Отметим, что высокочастотный вклад нейтралов в генерацию ТГц излученияприсутствует на всех стадиях распространения лазерного излучения. В спектре онпроявляется в виде дополнительного менее интенсивного локального максимума. Вусловиях численного эксперимента в развитом филаменте он наблюдается на частотепорядка 25 ТГц, начиная с расстояния z ≈ 14.58 см и далее (Рис.
4.1(м-с)).На Рис. 4.3 представлено сравнение спектра ТГц сигнала развитого филамента,полученного в численном моделировании, и в эксперименте, проведенном научнойгруппой проф. А.П. Шкуринова в лаборатории терагерцовой оптоэлектроники испектроскопии физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.57В эксперименте излучение титан-сапфировой лазерной системы (Spectra PhysicsSpitfire Pro, 130 фс, <1.5 мДж, 800 нм, 1 кГц) фокусировалось с помощью линзы сфокусным расстоянием f =15 см в атмосферный воздух (Рис. 4.4(а)). Кристалл β-ВВО Iтипа толщиной 0.1 мм, ориентированный так, что выход ТГц излучения максимален,использовался для генерации второй гармоники.
Плазменный канал длиной ∼1.5 смобразовывался около геометрического фокуса линзы. Генерирующееся при этом ТГцизлучение собиралось и колимировалось с помощью внеосевого параболического зеркала(диаметр 51.6 мм, эффективное фокусное расстояние – 15 см). Оптическое излучениеблокировалось с помощью силиконового фильтра толщиной 0.35 мм.ДляисследованиячастотныхипространственныхсвойствТГцсигналаиспользовался интерферометр Майкельсона и гелиевый болометр в качестве детектора.Для разделения и рекомбинации пучков в интерферометре использовалась силиконоваясветоделительная пластинка толщиной. В плечах интерферометра находились плоскиеметалические зеркала, одно из которых было помещено на механическую подвижнуюплатформу. После рекомбинации ТГц излучение фокусировалось с помощью внеосевогопараболичксого зеркала в апертуру болометра с фильтром, прозрачным для ТГцизлучения с частотой < 24 ТГц.
Типичная интерферограмма, полученная в эксперименте,содержит 500-800 точек с шагом 2.5 мкм, обеспечивая разрешение порядка 75 ГГц. ТГцспектр воостаналивался с помощью фурье-преобразования автокорреляционной функцииТГц сигнала.Измерение частотно-углового спектра проводилось с помощью перемещенияпластинки с щелью размером 1.5 мм вдоль поперечного распределения ТГц пучка до егоколлимирования (Рис. 4.4(а)). В эксперименте ТГц спектр, усредненный по данным 50интерферограмм,былполученприиспользованиидвуцветногоизлучениясдлительностью 130 фс, энергиями основной и второй гармоник 1.4 и 0.14 мДж,соответственно.58Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
