Диссертация (1102749), страница 16
Текст из файла (страница 16)
4.1 (а) Пиковая интенсивность излучения в зависимости от расстоянияраспространения; (б-c) Спектры излучения в диапазоне 0.05 - 1000 ТГц и его ТГц части нарасстояниях z = 12 см (б, в), 13 см (г, д), 13.8 см (е, ж), полученные в численноммоделировании59Рис. 4.1 (продолжение) Спектры излучения в диапазоне 0.05 - 1000 ТГц и его ТГц части нарасстояниях z = 14.2 см (з, и), 14.4 см (к, л), 14.52 см (м, н), полученные в численноммоделировании60Рис. 4.1 (продолжение) Спектры излучения в диапазоне 0.05 - 1000 ТГц и его ТГц части нарасстояниях z = 14.57 см (о, п), 15.1 см (р, с), полученные в численном моделированииРис.
4.2 (а) Максимум в спектре ТГц сигнала (черная кривая) и пиковая плотность плазмы(синяя кривая) в зависимости от расстояния распространения. Немонотонное изменениечастоты максимума в ТГц спектре обусловлено конкуренцией механизмов ТГц генерации.Вертикальная штриховая линия обозначает позицию максимального ТГц откликанейтралов. (б) Смещение максимума в спектре ТГц сигнала с ~4 до ~0.5 ТГц. Краснаяконтурная кривая отмечает уровень, где достигается 99% от максимальной спектральнойинтенсивности на данном расстоянии61Рис. 4.3.
Рассчитанный (красная кривая) на основе однонаправленного ураненияраспространения (2.1) и экспериментально измеренный (черный точки) спектры ТГцизлучения, генерирущегося при филаментации коллинеарно распространяющихсяимпульсов на основной частоте (800 нм: 1.4 мДж, 150 фс) и второй грамоники (400 нм: 10мкДж, 220 фс) лазерной системы, сфокусированных в атмосферный воздух (f = 15 см)Спектр ТГц сигнала, полученный в численном моделировании с помощьюоднонаправленного уравнения распространения UPPE (2.1) в скалярном представлении,показан на Рис.
4.3 красной кривой. Спектр, измеренный в натурном эксперименте саналогичными начальными параметрами лазерного излучения, изображен на Рис. 4.3черными точками. В численном моделировании и в эксперименте спектр ТГц сигналапроинтегрированнпопоперечнойапертуредиаметром12 мм.Спектральноераспределение ТГц излучения, полученное в численном моделировании, хорошосогласуется как с экспериментальными данными, полученными в группе проф. А.П.Шкуринова, так и с другими опубликованными к настоящему моменту [37 – 40].Cпектральный максимум достигается на частоте около 0.5 – 1 ТГц, близкой к плазменной,и обусловлен вкладом нелинейного фототока.
Ослабление спектра на частотахν > 12.5 ТГц в эксперименте вызвано поглощением в силиконовой светоделительнойпластинке и в используемых фильтрах.62Рис.4.4.ЭкспериментальнаяустановкапогенерациитерагерцовогоизлученияиегорегистрацииспомощьюинтерферометраМайкельсонаиболометра.1—болометр;2,3—зеркала;4—делительпучкаизвысокоомногокремния;5,6—параболическиезеркала(апертура2дюйма);7—кремниевыйфильтр;8—кристаллBBO;9—собирающаялинзасфокуснымрасстоянием15см§2. Формированиетерагерцовогокольцевогоизлученияпространственногоприколлинеарномраспределенияраспространенииимпульсов основной и второй гармоник титан-сапфирового лазера вфиламентеНа Рис. 4.5 показано, как изменяется частотно-угловой спектр и пространственноераспределение ТГц излучения филамента при распространении лазерного излучения.
Вначале распространения, пока интенсивность лазерного излучения не достаточна великадля ионизации среды, на частотно-угловом распределении имеется яркий ТГц максимумоколо 0°, что соотвествует распространяющемуся вдоль оси филамента ТГц сигналунейтралов (Рис. 4.5(а-е)). Максимум ТГц излучения, обусловленного откликомнейтральных молекул, растет при распространении лазерного излучения и увеличения егоинтенсивности под действием керровской фокусировки в газе (сравните Рис. 4.5(б) и Рис.4.5(г)).При достижении лазерного излучения мощности, достаточной для ионизациимолекул воздуха, и образовании свободных электронов, в частотно-угловом спектреизлучения появляется структура с двумя "крыльями" (Рис. 4.5(ж-м)), что соотвествуеткольцевому пространственному профилю ТГц сигнала свободных электронов лазернойплазмы. При дальнейшем распространении лазерного излучения кольцевая структура63усиливается, появляется яврко выраженный минимум ТГц сигнала на оси филамента (Рис.4.5(м)).Сранение частотно-угловых спектров ТГц излучения, полученных в численноммоделированиииэкспериментально,представленонаРис.4.6(а,б).Угловоераспределение ТГц излучения имеет максимум (отмечен белой штриховой линией на Рис.4.6(а, б) при значении угла порядка 4 – 6о относительно оси распространения.
Внеосевоймаксимумнапространственномучастотно-угловомпрофилювраспредлениидальнейзоне.соответствуетАналогичныекольцевомупространственныераспределения экспериментально наблюдались в [37 – 40]. В численном моделировании ив эксперименте около 15% энергии ТГц излучения в диапазоне 0.5-13 ТГцраспространеется вдоль оси и 85% – в кольцо. Энергия ТГц излучения в диапазоне 0.05-30ТГц в численном моделировании составляла порядка 9 нДж.64Рис. 4.5 Пространственные (левая колонка) и частотно-угловые (правая колонка)распределения ТГц излучения филамента на расстояниях z = 13.8 см (а, б), 14.3 см (в, г),14.4 см (д, е)65Рис. 4.5 (продолжение) Пространственные (левая колонка) и частотно-угловые (праваяколонка) распределения ТГц излучения филамента на расстояниях z = 14.6 см (ж, з), 14.7см (и, к) и 15.7 см (л, м)66Рис. 4.6 Частотно-угловые распределения ТГц излучения филамента: (а)рассчитанный в численном моделированиии, (б) экспериментальный в логарифмическойцветовой шкале интенсивностей.
Штриховая вертикалья линия показывает направлениемаксимума ТГц сигнала67§3. Механизмы генерации терагерцового излучения и их влияние наспектральные и пространственные свойства терагерцового сигналаДля определения физического механизма, отвественного за формированиекольцевогопространственногопрофиляТГцизлучения,генерирующегосяприколлинеарном распространении импульсов основной и второй гармоник лазера вфиламенте (800 нм: 3.2 мДж, 27 фс; 400 нм: 0.32 мкДж, 50 фс; 2a0 = 1.5 мм),сфокусированных линзой с фокусным расстоянием f = 20 см в атмосферный воздух.В численном моделировании были последовательно «выключены» вкладыфизических механизмов, участвующих в фемтосекундной филаментации. Вначале былисследован случай чисто керровской среды, когда интенсивность лазерного излучениянарастает за счет геометрической фокусировки и самофокусировки, но без учетадисперсии показателя преломления воздуха и образования плазмы.
В этом случае вмоделировании наблюдается неограниченный рост пиковой интенсивности излучения,поскольку модель не учитывает плазменную дефокусировку. Расчет останавливался, кактолько пиковая интенсивность достигала характерного значения в реальном филаменте~ 100 ТВт/см2 (зеленая кривая на Рис. 4.7(а) прерывается на расстоянии z ≈ 12.5 см).На Рис. 4.7 показано изменение частотно-углового спектра и пространственногопрофиля ТГц излучения керровской среды без учета плазменной нелинейности идисперсии с увеличением расстояния распространения лазерного излучения.
В такойсреде ТГц отклик распространяется вперед по направлению распространения лазерногоизлучения. Значит, в начале распространения лазерного излучения формируется источникосевого ТГц излучения.В случае, соотвествующем реальным условиям, когда учтены плазменная икерровская нелинейности, а также дисперсия и дифракция среды, описанные в Главе 2,вклад плазменной нелинейности начинает конкурировать с откликом нейтральныхмолекул.Зависимостьпиковойинтенсивностиотизлученияотрасстоянияраспространения показана на Рис.
4.8(а). На частотно-угловом распределении по мерераспространения лазерного излучения и увеличения плотности свободных электроновобразуется яркое кольцо (Рис. 4.8(б-ж)). Спектральная интенсивность излучения,распространяющегося в кольцо, (показано красным) на два порядка больше, чеминтенсивность излучения: распространяющегося вдоль оси филамента (обозначенозеленым).В третьем численном эксперименте керроский отклик среды не учитывался, приэтом фокусировка лазерного излучения просиходила только за счет внешнего воздействия68линзы. Зависимость пиковой интенсивности от излучения от расстояния распространенияпредставлена на Рис. 4.9(а).
В этом случае частотно-угловые спектры и структурапространственногораспределенияТГцсигналавомногомпохожинаранеерассмотренный случай (сравните Рис. 4.8(б-ж) и Рис. 4.9(б-ж)). Таким образом, ТГцизлучение, обсловленное наличием нелинейного фототока, является доминирующим ивторым по очередности в ходе распространения. Плазменный канал действует какпрепятствие на пути распространения ТГц излучение, что приводит к формированиюхарактерного кольцевого пространственного профиля ТГц сигнала.Влияние керровской нелинейности на частотно-угловой спектр проявляется в видечетко выраженного локального максимума на оси распространения (зеленая область наРис. 4.7(б-ж)), также экспериментально наблюдавшегося в работах [47, 58, 86].Пространственное распределение ТГц сигнала, проинтегрированное по частоте вдиапазоне 0.05-30 ТГц, имеет более интенсивный центральный пик (сравните Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
