Филаментация фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере в условиях когерентного рассеяния в водном аэрозоле (1105077), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В дисперсной среде ослабление энергии высокой плотности, локализованной всечении филамента, обусловлено рассеянием на частицах аэрозоля, дефокусировкойв лазерной плазме и фотоионизацией газовых компонент воздуха. При этом потери,связанные с фотоионизацией в несколько раз меньше, чем вызванные плазменнойдефокусировкой.4. В аэродисперсной турбулентной атмосфере рассеяние светового поля на частицахводного аэрозоля замедляет на трассе развитие множественной филаментации вмощном фемтосекундном лазерном импульсе.45.
Дисперсная среда атмосферного аэрозоля при филаментации фемтосекундноголазерного импульса эквивалентна сплошной ослабляющей среде только в условияхбольшой оптической толщи, при которой доминирует ослабление импульса прикогерентном рассеянии.Апробация результатов работыОсновные результаты диссертации изложены в 20 научных публикациях, из них 7статей в журналах, из списка ВАК России: "Applied Physics B: Lasers and Optics","Journal of Russian Laser Research", "Вестник МГУ. Физика и астрономия", "Оптикаатмосферы и океана", "Квантовая электроника", "Оптический журнал, и докладывалисьна международных конференциях: 3rd International Symposium on Filamentation (Крит,Греция, июнь 2010), International Advanced Research Workshop "Modern Problems inOptics and Photonics" (Ереван, Армения, сентябрь 2009), International conference "SPIEOptics and Photonics" (Сан-Диего, США, август 2009), ХVI Международнаяконференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам"Ломоносов-2009" (Москва, Россия, апрель 2009), Third Russian-French Laser PhysicsWorkshop for Young Scientists (Санкт-Петербург, Россия, сентябрь 2008), Internationalconference "SPIE Optics and Photonics", (Сан-Диего, США, август 2008), InternationalConference on High Power Laser Beams HPLB-2006 (Нижний Новгород – Ярославль,июль 2006), ХII Международная конференция студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам "Ломоносов-2006" (Москва, апрель 2006);Международная конференция молодых ученых "Оптика-2005", (Санкт-Петербург,октябрь 2005); ICONO/LAT (Санкт-Петербург, май 2005), XI Международнаяконференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам"Ломоносов-2005" (Москва, апрель 2005), а также на семинарах кафедры общей физикии волновых процессов физического факультета и МЛЦ МГУ им.
М.В. Ломоносова.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и спискацитируемой литературы. Объем работы составляет 130 страниц, включая 57 рисунков и1 таблицу. Список цитируемой литературы содержит 145 наименований, включая 9авторских публикаций.Личный вклад автораВсе использованные в диссертации результаты получены автором лично или приего определяющем участии.5СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,сформулированы ее цели и задачи, научная новизна, практическая значимость изащищаемые положения.В первой главе "Состояние исследований по филаментации мощногофемтосекундного лазерного импульса в атмосфере" дан обзор исследований пораспространению мощного фемтосекундного лазерного импульса в атмосферныхусловиях.
Приведены результаты экспериментальных и теоретических работ, которыедают представление о физических процессах, определяющих филаментациюфемтосекундных импульсов в воздухе. Рассматриваются результаты работ,посвященных взаимодействию мощного фемтосекундного лазерного импульса саэрозолем и турбулентностью в атмосфере.В §1 дано представление о физике явления филаментации в воздухе. Приведенакраткая ретроспектива экспериментальных работ по регистрации самофокусировки ифиламентации лазерных импульсов. Рассмотрены теоретические модели, объясняющиезарождение и динамику филаментов. Подробно описана динамическая модельдвижущихся фокусов.В §2 рассмотрены особенности филаментации мощного фемтосекундноголазерного импульса в атмосфере, связанные с тем, что атмосфера представляет собойнеоднородную многокомпонентную среду, в которой флуктуации оптическихпараметров имеют широкий диапазон масштабов пространственного спектра. Дан обзорнатурных экспериментов по множественной филаментации в атмосфере.
Описаныэкспериментальныеитеоретическиеисследованиявлиянияатмосфернойтурбулентности на филаментацию мощного фемтосекундного лазерного импульса,которое может приводить к блужданию филамента на трассе, образованиюхаотического множества филаментов, изменению расстояния до старта филаментации иподавлению филаментации в условиях сильной турбулентности.В §3 изложено состояние исследований по филаментации лазерного импульса ваэрозоле. Рассмотрены методы зондирования аэрозоля, основанные на нелинейнооптическом взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного излучения счастицами аэрозоля: флуоресцентная спектроскопия, индуцированная филаментацией(FIFS), и эмиссионная спектроскопия, индуцированная лазерным излучением (LIBS).Описаны экспериментальные и теоретические исследования по взаимодействиюфиламента с отдельно расположенными водными каплями размером несколькодесятков микрометров, которые демонстрируют, что такие капли оказывают ничтожномалое влияние на дальнейший процесс филаментации.
Дан обзор теоретических иэкспериментальных работ, посвященных филаментации мощных лазерных импульсов в6условиях сильного ослабления в плотном аэрозоле при большой концентрации частиц(~105 см−3). Сформулирована проблема влияния когерентного рассеяния на ансамблечастиц атмосферного аэрозоля на процесс филаментации мощного фемтосекундноголазерного импульса и определена мотивация данной диссертационной работы.Во второй главе "Модель филаментации мощного фемтосекундноголазерного импульса в атмосфере" дано физическое обоснование и математическаяформулировка стратифицированной модели когерентного рассеяния мощноголазерного излучения на ансамбле частиц водного аэрозоля в атмосфере. Определеныфизические границы применимости рассматриваемой модели. Проведен анализстратифицированной модели когерентного рассеяния лазерного излучения на задачелинейного ослабления излучения при рассеянии в дисперсной среде.В §4 описаны физические факторы, определяющие распространение мощногофемтосекундного лазерного импульса в атмосфере.
Обоснована важность учетакогерентных эффектов при рассеянии на ансамбле частиц в условиях нелинейногооптического взаимодействия излучения и дисперсной среды. Приведены параметрыатмосферного аэрозоля: функция распределения частиц по размером в облаках итуманах, коэффициент ослабления и оптическая толща. Показано, что суммарный вкладэлектронов, генерируемых в частицах аэрозоля, не существенен для плазменныхканалов филаментов.
Приведены параметры и описана классическая модельатмосферной турбулентности.В §5 сформулирована концепция стратификации аэродисперсной турбулентнойсреды в задаче направленного распространения импульса, согласно которой средапредставляетсяпоследовательностьюслоевконечнойтолщиныΔz(Рис. 1).Предполагается, что каждый слой Δz достаточно мал, и изменения поля E, вызванныеРис. 1. Стратифицированная модель аэродисперсной турбулентной среды.
Все частицы водногоаэрозоля (схематически показаны точками) сосредоточены в "аэрозольных" экранах, в которыхрасположены случайно. L – поперечный размер рассматриваемой среды, Δz – расстояниемежду соседними аэрозольными экранами.7дифракционными, турбулентными, нелинейно-оптическими эффектами, рассеянием начастицах в слое, много меньше поля, падающего на слой:( E ( x, y, z + Δz) − E ( x, y, z) ) << 1 .2E ( x, y , z )(1)2Вместе с тем, трансформация поля E на всей трассе, представленнойпоследовательностью большого числа слоев, не является малой.Стратифицированная модель филаментации лазерного импульса в аэрозоле и вусловиях атмосферной турбулентности описывается стохастическим уравнением длякомплекснойамплитудыогибающейфемтосекундногоимпульса~E ( x, y , z , t )внелинейной случайно-неоднородной рассеивающей среде:~~~∂E ( x, y, z, t ) ∂ 2 E ( x, y, z , t ) ∂ 2 E ( x, y, z , t ) 2k 2~2ik=++(Δnnl + Δn~ ) E ( x, y, z , t )22n0∂z∂x∂y~~ˆ ~,− ikα ion E ( x, y, z, t ) + Daer E ( x, y, z, t )где k – волновое число, n0 – показатель преломления воздуха,~ˆDaer –(2)оператор,описывающий преобразование поля вследствие когерентного рассеяния на частицахаэрозоля, Δn~( x, y, z ) – изменение показателя преломления вследствие турбулентности,Δnnl – приращение показателя преломления, определяемое суммой вкладов керровскойнелинейности Δnkerr и нелинейности наведенной лазерной плазмы Δnpl.
Согласновыполненным оценкам и результатам опубликованных экспериментов в атмосферномаэрозоле с типичными параметрами вклад ионизации, инициируемой лазернымизлучением внутри капель, в концентрацию электронов плазменного канала филаментана два порядка меньше, чем вклад фотоионизации газовых компонент воздуха.Коэффициент αion описывает потери при многофотонной ионизации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
