Диссертация (1102749), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Для определения влиянияэтих резонансов, была исследована поляризация ТГц излучения в аргоне (атомном газе безвращательных уровней). Результаты были сопоставлены с экспериментальными даннымив воздухе.Для этой цели была использована Т-образная металлическая кювета, (Рис. 5.1).Кварцевая пластинка толщиной 1 мм служила входным окном, а тефлоновая толщиной 3мм – выходным. Через боковое отвестие кювета откачивалась до давления 1 Торр изаполненялась исследуемым газом. Оптическое излучение фокусировалось в кювету нарасстоянии 3 см от выходного окна. Кювета была заполнена аргоном или воздухом (длясравнения) при атмосферном давлении. Зависимости угла поляризации ТГц излучения βот начального значения угла поляризации второй гармоники ψ0 относительно основнойдля этих газов приведены на Рис.
5.2(а). Поляризация ТГц излучения практическиидентичнав аргоне и в воздухе: угол поляризации ТГц излучения β близок к 0° дляψ0 < 80°; затем β увеличивается до 90° с увеличением ψ0 от 80° до 90°. Поэтому частотнаядисперсия компонент тензора χ(3), индуцированная вращениями молекул O2 и N2 не влияетна наблюдаемую поляризацию ТГц сигнала.Эллиптичность ТГц излучения ε(ψ0), определяемая как отношение полуосейэллипса поляризации, возрастает с увеличением угла ψ0 при ψ0 < 80°. Дальнейшееувеличение ψ0 приводит к стабилизации ТГц эллиптичности (Рис. 5.2(б), Рис. 3(а-д)).Резкое увеличение неопределенности ε(ψ0) для ψ0, близких к 90°, вызвано уменьшениемТГц сигнала на порядок при больших значениях ψ (Рис. 5.2(в)). Такое уменьшениеэнергии ТГц наблюдалось экспериментально в [160].Исследование поляризации второй гармоники показало ее значительнуюэллиптизацию в ходе филаментации (Рис. 5.3(е)) в согласии с предыдущимиисследованиями [159, 161].Посколькуэкспериментальныемодельчетырехволновогорезультаты,поляризациясмешенияТГцизлучения(1)неприописываетфиламентациидвуцветного линейно поляризованого лазерного излучения с заданным начальным угломмеждуполяризациямиосновнойивторойгармоникисследованаспомощьюсамосогласованной модели, основанной на UPPE.Численное моделирование филаментации и генерации ТГц сигнала проведено дляразличных начальных значений угла между поляризациями основной и второй гармоник77ψ0 от 0° до 90° с шагом 0.5° – 5°.
Зависимости β(ψ0), ε(ψ0) и WTHz(ψ0) показаны наРис. 5.2(a-в) соответственно и находятся в отличном согласии с экспериментальнымиданными. Также хорошо соотносятся с экспериментальными результатами и эллипсыполяризации ТГц излучения (Рис. 5.3(а-д)).Рис. 5.2 (a) Экспериментальные (точки) и полученные в численном моделировании(зеленая кривая – модель четрырехвонового смешения; красная кривая – UPPE)зависимости угла поляризации ТГц излучения β от начального ушла междуполяризациями основной и второй гармоник; (б) экспериментальные (точки) иполученныев численном моделировании (красная кривая) значения эллиптичности ε ТГц излучения;(в) экспериментальные (точки) иполученные в численном моделировании (краснаякривая) значения энергии ТГц сигнала WTHz.
Серые, черные и синие точки соответствуютатмосферному воздуху, воздуху и аргону в кювете соотвественноЗависимость β(ψ0), полученная в моделировании на основе UPPE и в эксперименте,обусловлена действием плазменной нелинейности и может быть также описана спомощью модели нелинейного фототока [92, 87]. Эволюция угла поляризации ТГцсигнала при распространении лазерного излучения β(z) для ψ0 = 75° показана на Рис.5.4(a) синей кривой вместе с пиковой плотностью плазмы (Рис. 5.4(б)). Покаконцентрация свободных электронов пренебрежимо мала, угол поляризации ТГц78излучения составляет порядка 50° в согласии с моделью четырехволнового смешения.Однако после образования плазмы угол ТГц поляризации резко уменьшается до 5°.Рис.
5.3 Состояние поляризации ТГц излучения (a-д) и второй гармоники (е) приразличных значениях угла между поляризациями основной и второй гармоникИнтересно также поведение эллиптичности ТГц сигнала (Рис. 5.4(a), зеленаякривая). Она начинает увеличивается еще до генерации плазмы вследствие процессачетырехволнового смешения, затем снова падает до нуля в самом начале формированияплазменного канала, а далее резко возрастает в развитом филаменте. Увеличениеэллиптичности с ростом длины филамента также было экспериментально обнаружено в[91].
Немонотонное поведение зависимости ε(z) вызвано возрастанием энергии ТГцсигнала на 3 порядка при генерации плазмы. Таким образом, и четырехволновоесмешение, и плазменная нелинейность оказывают влияние на эллиптичность ТГц сигналадвуцветного филамента. После прохождения лазерным излучением геометрическогофокуса f = 15 см рост энергии ТГц сигнала останавливается и трансформация егополяризации также прекращается.79Рис. 5.4 Эволюция угла поляризации ТГц сигнала β (синяя кривая) и эллиптичности ε(зеленая кривая) при распространении лазерного излучения для значения угла ψ0 = 75°.Красной кривой показано распределение плотности плазмы NeПоскольку энергия основной гармоники на порядок больше энергии второй,взамодействие между ними в ходе филаментации не приводит к изменению состоянияполяризации основной гармоники.
Однако вторая гармоника и ТГц излученияэллиптизируются в процессе распространения. На Рис. 5.5, 5.6 показано вращениеэлектрических полей второй гармоники и ТГц излучения для начальных значений угла ψ0= 45° (a, б) и 85° (в, г). Наибольшее значение эллиптичности второй гармоникисоответствует значению угла ψ0 = 45° (сравните Рис. 5.5(в) и 5.6(в)). Эллиптичность ТГцсигнала ведет себя иначе (Рис. 5.5(б) и 5.6(б)): она намного существеннее при угле ψ0 =85° по сравнению с 45°. Значит степень эллиптичности второй гармоники не определяетнапрямую эллиптичнсоть генерируемого ТГц излучения, как утверждается в работе [91],где угол между поляризациями основной и второй гармоник составлял 40°: наибольшемузначению эллиптичности ТГц излучения соотвествует значение начальнго угла ψ0,близкое к 90°, когда вторая гармоника практически линейна.80Рис.
5.5 Электрические поля (a) основной гармоники, (б) ТГц излучения и (в) второйгармоникии, соотвествующие начальному значению угла ψ0 = 45°. Зависимость,изображенная на Рис. 5.5(в) согласуется с экспериментально обнаруженной в [91]Генерация ТГц излучения при коллинеарном распространении в филаментеимпульсов основной и второй гармоник обусловлена как нелинейным фототоком, так иоткликом связанных электронов в нейтралах [162, 96]. Тем не менее, для простотыописания исследуем эллиптичность ТГц излучения в модели четырехволнового смешения.Предположим, что основная гармоника является линейно поляризованной с поляризацией,направленной вдоль оси x, а вторая – имеет эллиптичность ξ (по полю):Ex = E 1 cos (ω t + ϕ ) + E2 ( cos 2ω t cosψ 0 − ξ sin 2ω t sinψ 0 ) ,E y = E2 ( cos 2ω t sinψ 0 + ξ sin 2ω t cosψ 0 ) ,(5.2)где ϕ – фаза между основной и второй гармониками.Тогда углол поляризации ТГц сигнала может быть выражен как:⎛ sin (ψ 0 + Δ ) ⎞β (ψ 0 , ξ ,ϕ ) = arctan ⎜⎟,⎝ 3cos (ψ 0 − Δ ) ⎠где(5.3)Δ = arctan (ξ tan 2ϕ ) .81(а) Основная гармоника ψ0 = 85°(б) ТГц излучение ψ0 = 85°(в)Втораягармоникаψ0 = 85°E x ,у с л .е д.0 .1 00 .0 50 .0 0E , 0 .0 0y усл .
0 .0 5ед.0 .1 03001500-1 5 0 ф с-3 0 0τ, Рис. 5.6 Электрические поля (a) основной гармоники, (б) ТГц излучения и (в) второйгармоникии, соотвествующие начальному значению угла ψ0 = 85°Пусть степень эллиптичности второй гармоники ξ < 0.3 в соотвествие с даннымичисленного моделирования и экспериментов (Рис. 5.5(в), 5.6(в)). Рис.
5.7(a, в)иллюстрируют зависимость (5.3) для различных значений начального угла ψ0. Дляψ0 < 45° угол поляризации ТГц излучения β (ϕ ) ≈ β (ϕ = 0 ) (или β (ϕ ) ≈ β (ϕ = π ) ) за( )исключением узкого диапазона углов ϕ1 < ϕ < ϕ2, ϕ1 = arctan ξ −1 2 , ϕ 2 = π 2 − ϕ1 . Внашем случае при ψ0 > 45° изменение значения угла β при увеличении ϕ возрастает вовсем диапазоне углов 0 < ϕ < π, достигая максимум при ψ0 = 90°.
Таким образом, фазамежду импульсами основной и второй гармоник ϕ управляет направлением поляризацииТГц излучения для значений начального угла ψ0, близких к 90°, в согласии сэкспериментальными результатами, представлеными в работе [96].Эффективность ТГц излучения можно аналитически оценить как |P|2, гдекомпоненты P заданы на нулевой частоте (поле E задается выражением (5.2)). Она зависит82от взаимной фазы между импульсами основной и второй гармоник ϕ, начального значениугла между их поляризациями ψ0 и элиптичности второй гармоники ξ.
На Рис. 5.7(в)показано отношение минимального и максимального значения ТГц сигнала η (по всему()диапазон углов ϕ) в зависимости от ψ0: η ξ ,ψ 0 = minϕ P22maxϕ P . Отношение ηблизки к нуля для ψ0< 70° и быстро возрастает при ψ0> 70°. Таким образом, при значенияхначального угла ψ0, близких к 90°, эффективность генерации ТГц излучения в двуцветномфиламенте сильно зависитот фазы по сравнению с другими значениями ψ0.Рис. 5.7 Угол поляризации ТГц излучения, задаваемый выражением (5.3), в зависимостиот взаимной фазы между импульсами основной и второй гармоник ϕ для различныхзначений угла ψ0. (a) соотвествует степени эллиптичности второй гармоники ξ = 0.1 (б) –ξ = 0.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
