Диссертация (1104782), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В результате динамического баланса керровскойсамофокусировки и дефокусировки в лазерной плазме формируется протяженный филамент [3–5,9,10], в котором интенсивность распространяющегося излучения, концентрация наведенныхэлектронов, поперечные размеры плазменного канала и облаcти локализации светового поляможет незначительно меняться вдоль его длины.Насыщение пиковой интенсивности в филаменте экспериментально зарегистрирована вэкспериметах [11,12] по сигналу флуоресценции азота и голубого сдвига в спектре импульса,величины которых зависят от интенсивности и перестают увеличиваться при возникновениифиламента, а так же по оценкам пиковой концентрации самонаведенной лазерной плазмыфиламента [13].
Первые оценки пиковой интенсивности светового поля получены в [14,15] по10измерениям энергии и поперечного размера филамента. В [16] пиковая интенсивность прифемтосекундной филаментации в воздухе, рассчитанная из условия равенства величинприращения показателя преломления, вызванных керровской и плазменной нелинейностями,составляет 4 10 13 Вт/см2. Анализ высших порядков керровской нелинейности, как возможногодоминирующего фактора в ограничении роста интенсивности в филаменте, численноисследовано в [17,18] . Однако, характерный вид колец конической эмиссии, которыйнаблюдается при филаментации в воздухе, формируется только при плазменной дефокусировке,доминирующей над вкладом при керровской нелинейности пятого и высших порядков [19].
Втеоретических оценках пиковой интенсивности в филаменте [14,15]используется анализДжавана-Келли [20], согласно которому фазовый набег, вызванный керровской нелинейностью,с одной стороны, и набег, обусловленный дифракцией и плазменной нелинейностью, с другой,равны по модулю. Вместе с тем, диаметр плазменного канала, в котором приращениепоказателя преломления отрицательное, значительно меньше диаметра филамента [21,22]. В[23] численно рассмотрено изменение с расстоянием линейной плотности оптической силылинз, наведенных в воздухе керровской и плазменной нелинейностями при фемтосекунднойфиламентации. Следует отметить, что в конденсированных средах помимо плазменнойдефокусировкиизлучениянормальнаядисперсиягрупповойскороститакжеможетограничивать рост интенсивности, препятствуя сжатию импульса во времени, что в результатеприводит к распаду импульса на субимпульсы с различным спектральным составом.Формирование протяженного узкого филамента с высокой концентрацией световогополя происходит благодаря окружающему его резервуару энергии, в котором содержитсяосновная часть энергии излучения.
Таким образом, существование филамента поддерживаетсяпритоком энергии из периферии пучка в приосевую область [24–26].Для излучения, пиковая мощность которого P0больше критической мощностисамофокусировки Pcr в несколько раз, может происходить многократная рефокусировкасветового поля, характер которой зависит от материальной дисперсии среды. Прирефокусировке хвост импульса, испытавший дефокусировку в самонаведенной плазме, вновь«стягивается» к оси из-за керровской самофокусировки. В результате, непрерывный филаментраспадается на цепочку из двух и более соосных областей локализации энергии, находящихсяна некоторых расстояниях друг от друга [27]. Чем сильнее материальная дисперсия среды, темменьше рефокусировок излучения происходит, и тем больше расстояние между излучающимиобластями филамента.11Излучение с пиковой мощностью P0 , более чем в несколько десятков раз превышающейкритическую мощность самофокусировки Pcr , испытывает множественную филаментацию[4,10,28–30].
Горячие точки филамента хаотически формируются в поперечном сеченииизлучения в областях наибольших возмущений интенсивности и фазы светового поля врезультате пространственно-модуляционной неустойчивости [31]. В процессе множественнойфиламентации происходит динамическая конкуренция первичных филаментов, сопровождаемаязарождением «дочерних» филаментов [32,33].Области высокой локализации энергии в филамента в конденсированных средахсопровождаются формированием плазменных каналов [5]. Плазменные каналы филамента вплавленом кварце исследованы с помощью оптического метода [34] и акустического методарегистрации ультразвуковой волны [35]. Ударные акустические волны, генерируемые прифиламентации, зарегистрированы в воде [36] и в воздухе [37] в схемах "pump-probe"интерференционным методом.
Оптико-акустическая техника регистрации лазерной плазмыпозволила измерить концентрацию электронов в лазерной плазме и исследовать эффекттуннельной ионизации молекул воздуха при фокусировке фемтосекундных импульсов сдокритической мощностью [38]. Для исследования концентрации электронов в плазменныхканалах филамента применялись конденсаторные методы [39–43], интерференционные [44,45],и теневые [46,47] методы. Пространственно-временные профили концентрации электроновполучены средствами сверхскоростной интерферометрии [48].
Управление пространственнымрасположением плазменных каналов при множественной филаментации позволяет создатьцилиндрический плазменный волновод [49] для транспортировки СВЧ излучения [50–53].Фемтосекунднаяфиламентацияприменимадлямикромодификацииоптическихматериалов, на основе которой возможна запись в объеме волноводов, оптическихпереключателей, дифракционных решеток [54–57].1.1 ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ФЕМТОСЕКУНДНОГОИЗЛУЧЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ФИЛАМЕНТАЦИИПри филаментации мощных фемтосекундных лазерных импульсов в прозрачныхдиэлектриках происходит сильное изменение как пространственных, так и временныххарактеристик излучения, вызванное нелинейным взаимодействием поля со средой.Пространственное распределение интенсивности в филаменте представляет собойцентральныйпик,окруженныйосциллирующейкольцевойструктурой[58].12Зарегистрированное в [59] пространственно-временное распределение интенсивности импульсана разных расстояниях наглядно иллюстрирует пространственное сжатие центральных слоевимпульса(рис.
1.1, справа).Виднопоявлениерасходящихсякперифериипучкапромодулированных «крыльев» интенсивности, в которых содержится основная энергияволнового пакета (рис. 1.1, слева).Рис.1.1. Измеренныепространственновременные профили интенсивности (слева) ипроинтегрированныеповремени,нормированные профили интенсивности(справа) на разных расстояниях от входаизлучения в воду [59]. 0 527 нм, FWHM 150фс , W 0.9 мкДж.Рис.1.2.
Экспериментально полученные положениясубимпульсовповременнойкоординате( 0 соответствует центральному временномуслою начального импульса) [47]. Излучениераспространяется вдоль оси z. 0 800 нм, FWHM 120 фс, W 4 мкДж.Дисперсия среды существенным образом влияет на трансформацию формы импульсаприфиламентациимощноголазерногоизлучениявконденсированныхпрозрачныхдиэлектриках. Численно показано [60–65] и экспериментально зарегистрировано [66–70], что вусловиях нормальной дисперсии групповой скорости (ДГС) импульс распадается насубимпульсы с различными групповыми скоростями, которые разлетаются по временнойкоординате при распространении излучения в среде (рис.
1.2). Тогда как при аномальной ДГСвременная компрессия излучения в условиях фазовой самомодуляции непрерывно увеличиваетмощность в области самофокусировки. Вследствие этого длина филамента при аномальной ДГСоказывается значительно больше, чем при нормальной ДГС [71]. В работе [72] показано, чтодлительность 1550-нм импульса при множественной филаментации в плавленом кварце сильноуменьшается. В условиях аномальной ДГС излучение мощностью, в тысячу раз превышающейкритическую мощность самофокусировки, распадается на множество филаментов, в которыхдлительность излучения сокращается до одного-двух оптических периодов. Численныммоделированием определено, что пространственно-временная динамика формы 800нм импульсаприводит к формированию Х-волны в условиях нормальной ДГС в плавленом кварце, тогда как131600-нм импульс в процессе филаментации при аномальной ДГС трансформируется впространственно-временной волновой солитон с длительностью в несколько периодовсветового поля [73].
Численное исследование процесса филаментации 1550-нм импульса вплавленом кварце в приближении 5 порядка теории дисперсии [74] показало, что в условияханомальной ДГС импульс формирует при распространении в среде квазиперодическуюпоследовательность пространственно-временных локализаций светового поля длительностью внесколько оптических периодов.1.2 ГЕНЕРАЦИЯ СУПЕРКОНТИНУУМАВажным проявлением изменений пространственных и временных характеристикизлучения является трансформация частотного спектра импульса, в результате которой егоспектральная ширина может достигать величин, сравнимых с основной частотой излучения.
Влитературе данное явление называют генерацией суперконтинуума или генерацией белого света[75,76].Первые эксперименты по генерации широкополосного излучения были выполнены прифокусировке лазерных импульсов в конденсированную среду. В работе [77] рассматривалосьраспространение лазерных импульсов на длине волны 530 нм, длительностью 4 пс имощностью 5 ГВт в различных диэлектриках — кальците, кварце, хлориде натрия и стекле. Вкаждой серии экспериментов авторы наблюдали формирование 5÷10 филаментов диаметром20 мкм, которое сопровождалось значительным уширением спектра лазерного импульса как встоксову, так и антистоксову области.
Наибольшее уширение было зарегистрировано прираспространении лазерных импульсов в стекле BK. В этом случае ширина высокочастотногокрыла составила 4200 см–1 , а низкочастотного — 7400 см–1. Причем подобное асимметричноеуширениеспектранаблюдалосьвовсехматериалахбезисключения.Генерациюширокополосного излучения авторы объясняют фазовой самомодуляцией лазерного импульса вусловиях проявления электронной керровской нелинейности. Определяющую роль фазовойсамомодуляции в уширении частотного спектра излучения подтверждают эксперименты [78] вкоторых установлено, что максимум интенсивности высокочастотных гармоник приходится назадний фронт импульса, а низкочастотных – на его передний фронт. Фазовая самомодуляция вусловияхкерровскойнелинейностифемтосекундныхимпульсовнизкойэнергии(0.4 ÷ 1.8 мкДж) вызывает незначительное симметричное уширение спектра, тогда как вусловиях филаментации с образованием плазменного канала при распространении импульсов14высокой энергии (2 ÷ 260 мкДж) происходит смещение спектра в голубую область и егоуширение на несколько сотен нанометров [12].Вработах[79–81]теоретическииэкспериментальноисследованагенерациясуперконтинуума при распространении мощных фемтосекундных лазерных импульсов вразличных конденсированных средах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
