Множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерных импульсов (1103892)
Текст из файла
На правах рукописиПанов Николай АндреевичМножественная филаментациямощных фемтосекундных лазерных импульсовСпециальность: 01.04.21 – лазерная физикаАвтореферат диссертациина соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукМосква – 2009Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессовфизического факультета Московского университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Кандидов Валерий ПетровичОфициальные оппоненты: доктор технических наук,профессор Валуев Виктор Васильевичдоктор физико-математических наукЧекалин Сергей ВасильевичВедущая организация:Санкт-Петербургскийгосударственный университетинформационных технологий,механики и оптикиЗащита состоится 19 марта 2009 г.
в 1600 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 в МГУ имени М.В. Ломоносова поадресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, ул. АкадемикаХохлова, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория имениС.А. АхмановаС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМосковского университета имени М.В. ЛомоносоваАвтореферат разослан «____» ______________ 2009 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31кандидат физико-математических наук, доцентИльинова Т.М.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыЯвление филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов состоит влокализации энергии лазерного излучения, которая сохраняется на значительномрасстоянии в тонкой нити филамента под действием самофокусировки и нелинейностисамонаведенной лазерной плазмы, ограничивающей коллапс пучка.
Филамент являетсятонким и протяженным, его длина (длина области, где интенсивность достаточна дляионизации среды) много больше его дифракционной длины. Например, в воздухе длинафиламентов достигает десятков метров, а диаметр — порядка 100 мкм. Филаментациянаблюдается в газообразных, жидких и твердых телах.Распространение фемтосекундных импульсов с пиковой мощностью, превышающейкритическую мощность самофокусировки в десять и более раз, приводит к образованиюнескольких филаментов, т.е. множественной филаментации.
Современные экспериментыпо множественной филаментации в атмосфере ведутся с импульсами мощностью1 — 5 ТВт и более, что превышает критическую мощность самофокусировки в воздухе(~5 ГВт) более чем в 100 раз. В таких условиях множественная филаментация мощныхфемтосекундных лазерных импульсов развивается неизбежно и носит стохастическийхарактер, т.е. филаменты образуются и исчезают случайным образом как в продольном,так и в поперечном направлении. К причинам такой нерегулярности явления можноотнести флуктуации амплитуды и фазы электрического поля на выходе лазерной системы,а также флуктуации показателя преломления и поглощения среды (в газах это связано стурбулентными флуктуациями показателя преломления, аэрозолем, в твердых телах — сразличными дефектами, примесями и т.д.).Такимобразом,стохастическаямножественнаяфиламентацимощныхфемтосекундных импульсов является скорее ординарным, чем необычным явлением.
В тоже время, на момент начала работ по теме диссертации (2002 г.) теоретического изученияобразования и развития множества филаментов, генерации суперконтинуума от них и т.д.проведено практически не было, хотя в экспериментах множественная филаментациянаблюдалась еще с середины 90-х гг.Явление филаментации является чрезвычайно интересным с прикладной точкизрения. Это связано с возможностью удаленного широкополосного зондированияокружающей среды излучением филаментов, транспортировки электромагнитногоизлучения различных частотных диапазонов (от постоянного тока до СВЧ волн, включая3удаленноеуправлениеатмосфернымэлектричеством)поплазменнымканаламфиламентов, создания модификаций в твердых прозрачных диэлектриках и т.д.Всилуэтогопредставляетсяважнойзадачауправлениямножественнойфиламентацией мощных фемтосекундных лазерных импульсов в целях увеличенияэнергии излучения суперконтинуума, сигнала флуоресценции при зондировании,концентрации электронов в плазменных каналах филаментов, а также образованияфиламентов в заданных положениях как в продольном, так и в поперечном направлениях.Цели и задачи диссертационной работыЦельнастоящейработысостоитвисследованиифизическихпроцессов,определяющих формирование и эволюцию множества филаментов, плазменных каналов игенерацию суперконтинуума, а также в анализе возможности управления множественнойфиламентацией.Для этого будут исследованы следующие проблемы: взаимодействие филаментов и модельный сценарий их эволюции; пространственные распределения суперконтинуума при множественной филаментации вдлинноволновой и коротковолновой частях спектра; управление множественной филаментацией методом масштабирования лазерного пучка; образование пучка филаментов на определенном расстоянии при совместном действииотрицательной фазовой модуляции и масштабировании пучка; применение периодического линзового массива как средства создания упорядоченногопучка филаментов в условиях турбулентной атмосферы.Научная новизна работы1.
Предложенсценариймножественнойфиламентациимощныхфемтосекундныхлазерных импульсов, состоящий из следующих этапов: независимое развитие«родительских» филаментов из начальных возмущений на профиле импульса;возникновение возмущений при интерференции колец, расходящихся вокругфиламентов;зарождениеизних«дочерних»филаментов;«конкуренция»филаментов; «выживание» одного или нескольких филаментов в результате«конкуренции».2.
Показано, что множественная филаментация мощных фемтосекундных лазерныхимпульсов является нестабильной — небольшие различия в распределении4интенсивности на входе в нелинейную среду приводят к качественным отличиям вформировании множества филаментов.3. Установлено,чтопоперечноераспределениеплотностиэнергииизлучениясуперконтинуума, сопровождающего множественную филаментацию мощныхфемтосекундных лазерных импульсов, в длинноволновой области генерируется наосях филаментов, а в коротковолновой — представляет собой интерференционнуюкартину колец конической эмиссии, расходящихся вокруг каждого из филаментов.4.
Показанавозможностьуправлениямножественнойфиламентациеймощныхфемтосекундных лазерных импульсов с помощью масштабирования пучка навыходе лазерной системы, совместного введения фазовой модуляции импульса имасштабирования пучка, а также использования линзового массива, через которыйраспространяется импульс.Практическая ценность работы1.
Показанавозможностьувеличениясигналафлуоресценциимолекулярногоиоднократно ионизированного азота при множественной филаментации мощныхфемтосекундных лазерных импульсов посредством уменьшения диаметра пучка навыходе лазерной системы.2. Установлено, что совместное действие уменьшения размеров пучка на выходе лазернойсистемы и отрицательной фазовой модуляции фемтосекундного импульса приводитк росту сигнала флуоресценции и увеличению расстояния образования филаментовот выхода лазерной системы.3. Предложенметодпространственного(какпоперечного,такипродольного)упорядочивания (регуляризации) пучка филаментов при использовании линзовогомассива на выходе лазерной системы. Установлен критерий удовлетворительногокачества регуляризации при филаментации мощного фемтосекундного лазерногоимпульса в случайно неоднородной среде.Полученные результаты могут найти применение при разработке фемтосекундныхлидаров для удаленного экологического зондирования, систем транспортировки лазернойэнергии и систем передачи электромагнитных волн различных частотных диапазонов поплазменным каналам филаментов.5Защищаемые положения1.
При множественной филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсовобразуются «родительские» филаменты из начальных возмущений в поперечномраспределении интенсивности, затем зарождаются «дочерние» на возмущениях,возникающих при интерференции полей, расходящихся в результате дефокусировкив лазерной плазме, далее происходит «конкуренция» филаментов, котораяпроявляется в перекачке энергии между ними, и в результате нее «выживает» одинфиламент.2. Множественная филаментация является пространственно нестабильной вследствиесильной чувствительности взаимного расположения «дочерних» филаментов кгеометрии начальных возмущений интенсивности в плоскости поперечного сеченияимпульса. Нестабильность множественной филаментации является причинойфлуктуаций сигнала флуоресценции при дистанционном зондировании.3.
В условиях множественной филаментации пространственное распределение излучениясуперконтинуума в длинноволновой части спектра представляет собой совокупностьпиков сцентрами наосяхфиламентов,вкоротковолновой —результатинтерференции колец конической эмиссии, которые расходятся вокруг каждого изних.4. При уменьшении поперечных размеров импульса, пиковая мощность которого вдесятки и более раз превосходит критическую мощность самофокусировки, энергия,локализованная в области флуоресценции, возрастает, что позволяет увеличить истабилизировать сигнал флуоресценции при фемтосекундном зондировании.Одновременное изменение фазовой модуляции импульса и его поперечного размерапозволяет управлять расстоянием до образования плотного пучка филаментов иплазменных каналов.5.
Регуляризация пространственного положения множества филаментов с помощьюлинзового массива позволяет подавить влияние атмосферной турбулентности исформировать упорядоченный их массив.Апробация результатов работыОсновные результаты работы опубликованы в 10 научных статьях в журналах«Квантовая электроника», «Оптика атмосферы и океана», «Оптический журнал»,«Physical Review A», «Applied Physics B», «New Journal of Physics», «Proceedings of SPIE»6и докладывались на конференциях: Международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых по фундаментальным наукам “Ломоносов” (Москва, Россия, 2003);Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика», (СанктПетербург, Россия, 2003, 2005); Международная конференция «Фундаментальныепроблемы оптики», (Санкт-Петербург, Россия, 2004, 2006); International Conference onCoherent and Nonlinear Optics / International Conference on Lasers, Applications, andTechnologies (Санкт-Петербург, Россия, 2005, Минск, Белоруссия, 2007); SPIE InternationalSymposium Photonics West (San-Jose, USA, 2005); International Conference “High PowerLaser Beams” (Нижний Новгород, Россия, 2006); Русско-французский симпозиум длямолодых ученых по лазерной физике (Houches, France, 2006); семинар кафедры общейфизики и волновых процессов физического факультета и МЛЦ МГУ им.
М.В. Ломоносова(2006, 2008).Структура и объем работыДиссертация состоит из шести глав, включая Введение, и списка цитируемойлитературы. Объем работы составляет 136 страниц, включая 44 рисунка. Списокцитируемой литературы содержит 113 наименований.Личный вклад автораВсе использованные в диссертации результаты получены автором лично или приопределяющем его участии. Автором опубликовано 15 статей в научных журналах, из них10 по теме диссертации, 7 из которых опубликованы в журналах из списка ВАК России.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВ Главе 1 представлен обзор экспериментальных и теоретических работ,посвященных филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов.В параграфе 1.1 показана неизбежность стохастической множествественнойфиламентации мощных фемтосекундных лазерных импульсов.
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.