Диссертация (1104782), страница 18

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 18)

5.3. Пространственно-временное распределение интенсивности I(r,τ) и временные профилиинтенсивности I(r = 0,τ) импульса с центральной длиной волны λ 0 = 1300 нм при филаментации вплавленом кварце; z - координата вдоль оси распространения излучения, I0 - начальная пиковаяинтенсивность, r0 = 70мкм - начальный радиус, τ0 = 40 фс - начальная полудлительность импульса поуровню e-1.Рассмотрим теперь распространение импульса на длине воны  0  1300 нм, для которойдисперсия групповой скорости в плавленом кварце близка к нулю (k   23фс 2  см 1 ) .

В этомслучаеL dis  L nl , L d .На рис. 5.3 представлено изменение пространственно-временногораспределения интенсивности I(r, ) с расстоянием z в системе координат, движущейся сгрупповой скоростью импульса v g . На рис. 5.4 представлено изменение временного профиляинтенсивности I(r  0, , z) на оси импульса с расстоянием z в системе координат, движущейсяс групповой скоростью импульса v g и концентрация электронов на оси импульса Ne(z). Стартфиламента при заданных параметрах импульса происходит на расстоянии z f  0.6 см , прикотором пиковая интенсивность импульса увеличилась более, чем в 150 раз.

При нулевойдисперсии групповой скорости область локализации энергии в распределении I(r  0, , z) ,соответствующая основному импульсу, является практически параллельной оси z наплоскости (τ,z) (рис. 5.4). Это означает, что вследствие нулевой ДГС импульс являетсянеподвижным в системе координат, движущейся с групповой скоростью близкой к v g .Образование максимумов на хвосте импульса, как следует из анализа пространственновременного распределения интенсивностиI(r, ) , вызвано не дисперсионным распадомимпульса, а происходит в результате стягивания к оси вследствие Керровской самофокусировкихвостовой части импульса, испытавшей дефокусировку в плазме. Действительно, широкийхвост импульса, возникший при дефокусировке (рис.

5.3, z = 0.578 см) исчез, так как онстянулся при самофокусировке к оси (рис.5.3, z = 0.593 см), и образовал второй максимуминтенсивности(рис.5.3, z = 0.598 см).Хвоствторогопикатакжедефокусируетсяв93самонаведенной плазме, а затем вновь самофокусируется. Этот процесс продолжается, образуяво времени последовательность пичков на некотором расстоянии z. Такая последовательностьпичков в импульсе образуется на расстоянии z в интервале от 0.7 см до 1.2 см.Рис. 5.4 Эволюция временного профиля интенсивности I(r  0, , z) на длине волны λ0 = 1300 нм иконцентрация электронов Ne(z) самонаведенной лазерной плазмы на оси излучения при филаментации вплавленом кварце.Ионизация среды приводит к формированию плазменного канала на расстоянииz f  0.6 см от входа в среду, полная протяженность которого составляет около 0.7 см (рис. 5.4).Концентрация электронов на оси распространения излучения (r = 0)значений ~ 1021Ne(z)достигаетсм -3 и немонотонно меняется вдоль плазменного канала.

На профилеконцентрации электронов Ne(z) видны максимумы, где первый из них соответствует вкладу вионизацию среды основного импульса, а следующие — совместному вкладу основногоимпульса и областей локализации энергии в пичках импульса на его хвосте.Таким образом, при нулевой ДГС пиковая интенсивность в нелинейном фокусе(рис. 5.3: z = 0.578 см) составляет ~ 200I0 и длительность импульса ~ 5фс. Формированиемногопичкового профиля интенсивности во времени происходит из-за пространственногоэффекта самофокусировки мощного, дефокусированного плазмой, хвоста импульса. Каждый издополнительныхпиковимеетпродолжительностьоколо 2 ÷ 4 фс и максимальнуюинтенсивность не превышающую 150I0.В области аномальной ДГС совершенно иная картина пространственно-временнойтрансформации излучения, по сравнению с рассмотренными выше.

В результате нелинейноговзаимодействияизлучениясосредой,прираспространенииимпульсаобразуетсяпоследовательность пространственно-временных локализаций светового поля - «световыхпуль». Каждая «световая пуля» начинает формироваться в центральных временных слоях94импульса (рис. 5.5 a) z = 0.498 см; б) z = 0.461 см). Самофокусирующаяся область высокойинтенсивности излученияизменяет свою групповую скорость v  0.9994 vg и начинаетотставать, смещаясь к хвосту импульса.Рис.

5.5 Пространственно-временное распределение интенсивности I(r,τ) и временные профилиинтенсивности I(r=0,τ) импульса на длине волны λ0 = 1900 нм при филаментации в плавленом кварце ;r0 = 90 мкм. a) τ0 = 18 фс ; б) τ0 = 36 фс.Как показал дополнительно проведенный анализ, отставание самосфокусировавшейсяобласти соответствует изменению спектрального состава излучения в результате его сильнойфазовой самомодуляции. Пиковая интенсивность при этом достигает значений ~120 I0, радиусуменьшается до ~6мкм. Смещаясь к хвосту, пик интенсивности уменьшается, тогда как вцентральных временных слоях начинается новая самофокусировка излучения (рис. 5.5 а)z = 0.536 см; б) z = 0.514 см). Сфокусированное излучение также начинает отставать по времении цикл повторяется заново (рис.

5.5 a) z = 0.568 см; б) z = 0.527 см), пока в центральныхвременных слоях находится достаточно мощности для новой фокусировки, что поддерживаетсяаномальной дисперсией, при которой мощность с хвостов импульса стекается к его центру,увеличивая пиковую величину. В последовательности фокусировок, каждая «световая пуля»достигаетмощность~ 2Pcr,иэнергию~ 0.3мкДж,аминимальнаядлительностьизлучения ~ 10 фс, что составляет около 2 периодов осцилляций поля при данной длине волны.При длине нелинейности значительно меньшей дисперсионной длины L dis / L nl  8(рис. 5.6 б), происходит практически непрерывная череда фокусировок в центральныхвременных слоях, образуя последовательность более десяти «световых пуль». Формируемый95плазменный канал имеет протяженную область порядка 5 мм, где высокая концентрацияэлектронов мало меняется с расстоянием. Энергия импульса при  0  36 фс в 2 раза превосходитэнергию импульса при  0  18 фс , что соответствует увеличению вдвое числа самофокусировоки, следовательно, «световых пуль».

На расстоянии 1 см от входа в среду режим формирования ираспространения «световых пуль» становится близким к периодическому, при этомминимальная длительность излучения составляет ~ 10 фс, пиковая интенсивность в «световойпуле» составляет 5·1013Вт/см2, и мощность, как и в режиме с меньшей энергиейимпульса, ~ 2Pcr.Рис. 5.6 Трансформация временного профиля импульса I(r  0, , z) и концентрация самонаведеннойлазерной плазмы Ne(z) вдоль оси распространения z при филаментации импульса на длине волныλ0 = 1900 нм. a) τ0 = 18 фс ; б) τ0 = 36 фс.Таким образом, при аномальной дисперсии образуется последовательность световыхпуль,возникновениекоторыхобусловленосовместнымпроявлениемвременногоипространственного факторов. В этом случае происходит перекачка мощности с хвоста ипереднего фронта импульса к центру, вызванная аномальной дисперсией в условияхположительной фазовой модуляции и последующее пространственное сжатие временных слоеввследствие самофокусировки.965.2 СПЕКТР ИМПУЛЬСА ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИСВЕТОВЫХ ПУЛЬВ данном разделе представлен анализ одновременной пространственно-временной испектральной трансформации импульсного излучения в процессе образования световой пули сцентральнойдлинойволны 0  1900 нм.ЭнергияначальногоимпульсасоставляетW  3.77 мкДж и пиковая интенсивностью I0 = 2.7×1011 Вт/см2.

В процессе филаментации вплавленомкварцеизлучениясрассматриваемымипараметрамипроисходитквазипериодическая локализация светового поля в пространстве и времени, в результате чегоформируется вдоль направления распространения последовательность «световых пуль»(рис. 5.7 б).До образования «световых пуль» спектр излучения Scomp () монотонно и симметричноуширяется вокруг центральной длины волны  0 . Появление каждой «световой пули» с высокойплотностью энергии неразрывно связано сильной фазовой самомодуляцией светового поля,вызывающей уширение спектра (рис. 5.7 а).

Высокая интенсивность светового поля в пулевызывает генерацию лазерной плазмы, что отражает зависимость концентрации электронов наоси Ne(z) вдоль филамента. Поэтому положение и протяженность плазменных каналовсовпадает с областями образования «световых пуль», которые можно рассматривать какизлучающие области суперконтинуума в филаменте. На расстоянии z , где появляется каждаяновая«световаяпуля»,происходитгенерацияизлученияСК,простирающегосявантистоксовую область вплоть до 300 нм.

При этом спектр СК Scomp () , который генерируеткаждая пуля в месте своего зарождения, является монотонно уширенным вокруг центральнойдлины волны. В спектре сформировавшейся пули с высокой крутизной заднего фронтаувеличивается уширение в высокочастотную область.На рис. 5.7 антистоксовое уширение спектра при образовании «световых пуль»демонстрируют тонкие вертикальные полосы между центральной длиной волны 1900 нм иизолированной антистоксовой областью. «Выбросы» спектральных компонент в видимомдиапазоне спектра, соответствующие образованию очередной «световой пули», отчетливовидны в интервале от 0.95 см до 1.75 см.97Рис.

5.7 а) Тоновые картины изменения с расстоянием z спектра импульса Scomp (, z) S0 z ;б) Формы импульса I(, z) / I 0 на оси ( r  0 ). Непрерывной линией внизу изображена концентрацияэлектронов лазерной плазмы Ne(z) на оси в зависимости от расстояния. Длина волны λ0 = 1900 нм,пиковая мощность Ppeak= 53 МВт, половина длительности (по уровню e-1) 40 фс, радиус пучка80мкм. S0 z - нормировочная константа.Впроцессераспространенияиисчезновения«световаяпуля»генерируетсуперконтинуум на длине своего существования и в спектре Scomp () формируется минимумшириной около 1000 нм, разделяющий центральную часть спектра и высокочастотное(антистоксовое) крыло, которое лежит в окрестности 600 нм.

С увеличением числаобразовавшихся пуль возрастает интенсивность спектральных компонент антистоксовогокрыла, в его спектре появляется интерференционная модуляция. Механизм формированияантистоксового крыла в спектре световой пули подобен формированию резонансного излученияпри распространения солитонов в волноводах [184], а так же с генерацией синей части спектраультракороткого импульса, распространяющегося в оптическом волокне в условиях аномальнойДГС [102].985.3 ТРАНСФОРМАЦИЯ ДЛИТЕЛЬНОСТИ СВЕТОВОЙ ПУЛИПоявление «световых пуль» длительностью в несколько периодов светового поля,которое предсказывало численное моделирование филаментации излучения на длинах волн вобластианомальнойдисперсииплавленогокварца,требовалоэкспериментальногоподтверждения.

Характеристики

Список файлов диссертации