Диссертация (1102749), страница 17
Текст из файла (страница 17)
4.8(бж) и Рис. 4.9(б-ж)).Кольцевое пространственное распределение ТГц сигнала филамента ранее былополученно теоретически с помощью интерференционных моделей [74, 73, 76, 77] безучета дефокусировки плазмы. Эти модели построены на приближении постояннойогибающей основной и второй гармоник и, следовательно, периодического измененияполярности ТГц сигнала. Это приводит к возникновению угла фазового согласования(относительно оси распространения) и формированию ТГц кольца в дальней зоне. Однаковфиламентепространственно-временныераспределенияоптическихгармониксущественно изменяются [158, 159] и картина ТГц интерференции становится размытой смаксимум на оси. Таким образом, интерференционные модели описывают лишь общуюрасходимость ТГц сигнала, но не выраженную кольцевую структуру. Например, модель[73, 76] предсказывает быстрое уменьшение расходимости ТГц кольца с увеличениечастоты (Fig.
2e,f в работе [73]). Этот эффект намного слабее проявляется в эксперименте(Fig. 2b в работе [74]), в согласии с результатами моделирования, проведенного в рамкахданной диссертационной работы.Для демонстрации универсальности пространственного распределения ТГцизлучения проведено моделирование филаментации колимированного двуцветноголазерного импульса с параметрами, аналогичными предыдущему случаю. Полныечастотно-угловые спектры электромагнитого излучения в диапазоне 0.05 – 1000 ТГц иТГц кольца, соответствующие частотам 10, 50 и 100 ТГц в начале самофокусировкалазерного излучения и в развитом филаменте показаны на Рис. 4.10. Длина плазменногоканала в численном моделировании составляла порядка 50 см.
В области филамента, где69достаточно велика плотность лазерной плазмы (z = 90 см), все низкочастотное излучениераспространяется в кольцо. Из пространственных распределений ТГц сигнала на частотах10, 50 и 100 ТГц видно, что излучение с более высокой частотой распространяется вкольцо с меньшем диаметром: частоте 10 ТГц соотвествует кольцо с диаметром 3.6º, 50ТГц — 1º, в то время как излучение с частотой 100 ТГц распространяется практическивдоль оси.Таким образом, в результате анализа свойств ТГц излучения установленымеханизмы генерации ТГц сигнала двуцветного филамента в воздухе. Показано, что инелинейный фототок свободных электронов плазмы, и керровский отклик нейтральныхмолекул среды дают вклад в ТГц генерацию.
В начале филаментации связанныеэлектроны в нейтралах формируют осевой источник ТГц излучения. ТГц излучениянейтралов является слабым и более высокочастотным по сравнению с ТГц откликомсвободных электронов. ТГц излучение, обусловленное вкладом керровского механизма,распространяется вдоль оси филамента, а ТГц излучение плазмы – в конус.С ростом концентрации свободных электронов происходит скачок положениямаксимума ТГц спектра в низкочастотную область к частоте порядка плазменной ирост спектральной интенсивности ТГц сигнала на три порядка.
Пространственноераспределение ТГц излучения является кольцевым как в сфокусированной, так и вколлимированной геометрии распространения лазерного излучения.70Рис. 4.7. ТГц излучение в среде с керровской самофокусировкой распространяется вдольоси филамента (0°). (а) Зависимость максимальной интенсивности электро-магнитногоизлучения от расстояние распространения. Профиль интенсивности ТГц сигнала (леваяколонка) и его частотно-угловое распределение (правая колонка) на расстояниях z = 12.2(а, б), 12.5 (в, г) и 12.7 (д, е) см71Рис.
4.8. Кольцевое пространственное распределение ТГц излучения филамента. (а)Зависимость максимальной интенсивности электро-магнитного излучения от расстояниераспространения. Профиль интенсивности ТГц сигнала (левая колонка) и его частотноугловое распределение (правая колонка) на расстояниях z = 12.7 см (а, б), 14.7 см (в, г) и19.1 см (д, е)72Рис. 4.9 Влияние плазменной нелинейности на пространственное распределение ТГц излученияфиламента. (а) Зависимость максимальной интенсивности электро-магнитного излучения отрасстояние распространения.
Профиль интенсивности ТГц сигнала (левая колонка) и его частотноугловое распределение (правая колонка) на расстояниях z = 12.7 см (а, б), 14.7 см (в, г) и19.1 см (д, е)73Рис. 4.10 (a, б) Частотно-угловые распределения излучения при филаментацииколимированного лазерного импульса в начале самофокусировки лазерного излучения(левая колонка) и в развитом филаменте (правая колонка). (в-з) Пространственноераспределение излучения на частотах 10 ТГц (в, г), 50 ТГц (д, е) и 100 ТГц (ж, з)74ГЛАВА 5. ПОЛЯРИЗАЦИЯТЕРАГЕРЦОВОГОКОЛЛИНЕАРНОМИЗЛУЧЕНИЯРАСПРОСТРАНЕНИИВПРИФИЛАМЕНТЕИМПУЛЬСОВ ОСНОВНОЙ И ВТОРОЙ ГАРМОНИК (800 + 400 НМ)СНЕЗАВИСИМООРИЕНТИРОВАННОЙЛИНЕЙНОЙПОЛЯРИЗАЦИЕЙВ данной главе представлено численное и аналитическое исследованиеполяризации ТГц излучения, генерирующееся при коллинеарном распространении вфиламенте импульсов основной и второй гармоник (800 нм + 400 нм) с независимоориентированной линейной поляризацией.
Показано, что поляризация ТГц излучениялинейна и сонаправлена с поляризацией основной гармоники, если угол междуполяризациями основной и второй гармоник меньше 80°; дальнейшее увеличение угла до90° приводит к значительной эллиптизации ТГц излучения и вращению его поляризации квекторуполяризациивторойгармоники.Самоиндуцированнаялазернаяплазмаопределяет угол поляризации ТГц излучения. Эллиптизация ТГц сигнала вызваначирпированием и эллиптизацией второй гармоники в присутствии сильного поля основнойгармоники.Результатычисленногомоделированияхорошосогласуютсясэкспериментальными данными, опубликованными в литературе.Рассмотрим поляризационные свойства (угол поляризации и эллиптичность) ТГцизлучения двуцветного филамента, когда угол между поляризациями основной и второйгармоник составляет 0 – 90°.Экспериментальные результаты, представляенные в настоящей главе, полученыгруппой проф.
А.П. Шкуринова в лаборатории терагерцовой оптоэлектроники испектроскопиифизическогофакультетаМГУимениМ.В.Ломоносова.Дляэкспериментального исследования поляризации ТГц излучения и второй гармоникииспользована установка, описанная в работе [88] (Рис. 5.1). Оптическое излучение титансапфировой лазерной системы (800 нм, 3 мДж, 120 фс) разделялось на два пучка содинаковыми энергиями для генерации второй гармоники и независимого контроляпараметров основной и второй гармоники. Вторая гармоника генерировалась с помощьюкристалла β-BBO (I типа) толщиной 0.3 мм и пропускалась через призму глана,отделяющую ее от излучения основной гармоники.
В другом плече установки основнаягармоника проходила через линию задержки, ослабитель и волновую пластинку, чтопозволяло контролировать ее энергию, поляризацию и временную задержку. Два пучкасовмещались с помощью диэлектрического зеркала и фокусировались линзой с фокусным75расстоянием 15 см. Филамент длиной ~ 1 см формировался около фокуса линзы и являлсяисточникомТГцизлучения.ДляисследованияполяризацииТГцизлучениеколимировалось с помощью внеосевого параболического зеркала, пропускалось черезполиэтиленовый анализатор и рефокусировалось с помощью второго параболическогозеркала в ячейку Голея.
Для измерения поляризации второй гармоники послефиламентации оптическое излучение колимировалось с помощью кварцевой линзы сфокусным расстоянием f = 15 см, затем излучение второй гармоники отделялось отосновной с помощью дифракционой решетки и диафрагмы. Излучение второй гармоникидалее проходило через призму глана, и ее интенсивность измерялась с помощьюкремниевого фотодиода.Рис. 5.1 Схема экспериментальной установки с разделенными пучками основной и второйгармоник для исследования поляризации ТГц излучения и второй гармоники в процесседвуцветной филаментацииПервая серия экспериментов проводилась в атмосферном воздухе. Оказалось, чтополяризация ТГц излучения ориентирована по направлению поляризации основнойгармоники при значении угла 0° ≤ ψ0 ≤ 80° (Рис. 5.2(а), серые точки; Рис.
5.3(a-г)), где ψ0 –начальное значение угла между поляризациями основной и второй гармоник. Значениеугла β между направлениями поляризаций ТГц излучения и основной гармоники быстровозрастает до 90° при 80° ≤ ψ0 ≤ 90° (Рис. 5.2(a), серые точки; Рис. 5.3(д)). Модельчетырехволнового смешения в приближении отсутствия дисперсии тензора нелинейнойвосприимчивости третьего порядка χ(3) и заданных полей оптических гармоник даетследующее значение для угла β:⎛1⎞β = arctan ⎜ tanψ 0 ⎟ .⎝3⎠(5.1)Зависимость (5.1), показанная на Рис.
5.2(a) зеленой кривой, значительноотличается от экспериментальных результатов. Такое различие, в принципе, можно былобы объяснить сильной дисперсией компонент тензора нелинейно восприимчивости76χ(3) [93]. Дисперсия компонент тензора χ(3) может возникнуть из-за резонанса в атомах имолекулах газовой среды. Резонансные линии в ТГц частотном диапазоне соотвествуютвращательным уровням компонент воздуха: O2, N2, CO2 и H2O.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
