Филаментация фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере в условиях когерентного рассеяния в водном аэрозоле (1105077), страница 3
Текст из файла (страница 3)
При расчете Δnkerrиспользуется коэффициент кубической нелинейности сухого воздуха n2 = 2.4·10-19см2/Вт, поскольку объем воды частиц аэрозоля в атмосфере мал и их вкладом в n2можно пренебречь. В этом случае критическая мощность самофокусировки излученияна длине волны 0.8 мкм равна Pcr = 4 ГВт. Концентрация электронов Ne(x, у, z, t),определяющая Δnpl, вычисляется из кинетических уравнений для многофотоннойионизации молекул кислорода и азота, где вероятность ионизации задается всоответствии с моделью Переломова-Попова-Терентьева.В каждом слое Δz стратифицированной модели уравнение (2) расщепляется наотдельные задачи: нелинейной рефракции, набега фазы, связанного с турбулентнымифлуктуациями, рассеяния на частицах аэрозоля, для решения которых используютсямодели нелинейного, турбулентного и аэрозольного экранов, и дифракции междуэкранами.8В §6 описан принцип построения аэрозольного экрана, моделирующегокогерентное рассеяние на частицах слоя аэрозоля стратифицированной среды.
Экрансостоит из двух параллельных друг другу близко расположенных плоскостей. Напервой плоскости задается ансамбль случайно расположенных аэрозольных частиц, накоторых рассеивается поле; на второй – рассчитывается интерференция рассеянногоизлучения с невозмущенным полем. Для расчета рассеяния поля на отдельной частицеиспользуется простой алгоритм на основе приближения аномальной дифракции10.Получены условия для толщины слоя аэрозоля Δzaer и расстояния между плоскостямиаэрозольного экрана dz, при которых возможно использование описанной моделирассеяния:Δz aer <(2 R) 2λ(2 R) 2,Nλ2 dz 2⎧⎪ 1 ⎛ 2 R ⎞ 2 2 R ⎫⎪a0 ⎬ ,< dz < min ⎨3 ⎜⎟ ,⎪⎩ N ⎝ λ ⎠ λ⎪⎭(3)где λ – длина волны излучения, a0 – радиус пучка, R – радиус частиц аэрозоля, N – ихконцентрация.В §7 приведены характерные масштабы задачи и параметры расчетной сетки попространству и времени.
Сформулированы условия, которые накладываются покоординате z. Кроме условия на Δzaer, к ним также относятся условия на расстояниемежду турбулентными экранами Δzturb и нелинейный Δznl шаг:Δz turb ≥ L0 ,Δz nl =πkn030Δnnl (| E | )2,(4)где L0 – внешний масштаб атмосферной турбулентности. Выполнение этих условийнеобходимо, чтобы держаться в рамках концепции стратификации (1).В §8 рассмотрена задача об ослаблении излучения в линейной аэродисперснойсреде без турбулентности.
Показано, что модель когерентного рассеяния в аэрозолеадекватно описывает ослабление лазерного излучения при его распространении вдисперсной среде облаков. Результаты статистического анализа методом Монте-Карлосогласуются с хорошей точностью с законом Бугера.В §9 произведен анализ корреляции флуктуаций интенсивности излучения вдисперсной среде при распространении лазерного пучка малой мощности. Показано,что с расстоянием пространственный размер возмущений интенсивности пучка,вызванных рассеянием на частицах аэрозоля, увеличивается. В присутствии10Г. Ван де Хюлст, Рассеяние света малыми частицами, Москва: Изд. ин. лит-ры.
536 с., 19619нелинейности на этих возмущениях может развиваться модуляционная неустойчивость,приводящая к стохастическому распаду импульса на множество филаментов.В §10 сформулированы основные выводы по второй главе.В третьей главе "Распространение филамента фемтосекундного лазерногоимпульса через слой плотного аэрозоля" приведены результаты исследованиястохастизации и восстановления сформировавшегося филамента мощногофемтосекундного импульса при прохождении через тонкий слой плотного водногоаэрозоля. Рассмотрена возможность рефокусировки лазерного импульса после выходаиз слоя аэрозоля. Исследовано влияние длительности фемтосекундного лазерногоимпульса на перенос филаментом энергии лазерного излучения высокой плотности внеблагоприятных условиях атмосферы, замутненной аэрозолем.В §11 исследовано восстановление моды филамента после рассеяния в слоедисперсной среды аэрозоля высокой плотности.
Был рассмотрен лазерный импульс сдлиной волны λ = 0.8 мкм, длительностью (по уровню e-1) 2τ0 = 280 фс, радиусомначального пучка a0 = 1.5 мм, энергией W0 = 10 мДж, пиковыми величинамиповерхностной плотности энергии F0 = 0.14 Дж/см2 и интенсивности I0 = 5⋅1011 Вт/см2,что соответствует пиковой мощности P0 = 40 ГВт. При критической мощностисамофокусировки в воздухе Pcr = 4 ГВт пиковая мощность импульса составляетP0 = 10Pcr, что соответствует образованию только одного филамента в отсутствиеначальных возмущений в сечении пучка. Показано, что сформировавшийся филаментхарактеризуется высокой устойчивостью модовой структуры.
Это обусловленопространственной фильтрацией при керровской и плазменной нелинейностях ввоздушной среде. Внутри аэрозольного слоя (толщина слоя Laer = 10 см, радиус частицR = 10 мкм, их концентрация N = 8⋅103 см-3) возникают возмущения светового поля и,как следствие этого, возмущения в распределении плотности энергии в филаменте иконцентрации электронов в плазменном канале.
После выхода из слоя в результатепространственной фильтрации светового поля филамента происходит восстановлениеосновной моды в распределении плотности энергии (Рис. 2) и осесимметричногораспределения концентрации электронов в плазменном канале. В коллимированномимпульсе восстанавливается мода Таунса унимодального вида, в сфокусированном –характерная кольцевая мода распределения плотности энергии в поперечном сеченииимпульса.В §12 показано, что филамент способен переносить высоколокализованнуюэнергию на большие расстояния даже в неблагоприятных условиях атмосферы,замутненной аэрозолем.
Энергия в филаменте с расстоянием падает из-за рассеяния наводных частицах в слое дисперсной среды аэрозоля, но продолжает уменьшаться и10~Рис. 2. Тоновые картины стохастического распределения плотности энергии F (x/a0, y/a0) впоперечном сечении лазерного импульса мощностью P0 = 10 Pcr при распространении черезаэрозольный слой толщиной 10 см с частицами радиусом R = 10 мкм и концентрациейN = 8⋅103 см-3, приведенные для разных расстояний z (до слоя z(1), через 1 см после входа вслой z(2)aer, в середине слоя z(3)aer, в конце слоя z(4)aer, сразу после выхода z(5), через 6 см послевыхода z(6)). Параметры импульса: λ = 0.8 мкм, τ0 = 140 фс, a0 = 1.5 мм, W0 = 10 мДж,I0 = 5⋅1011 Вт/см2, F0 = 0.14 Дж/см2.после слоя из-за внесенных аэрозольным рассеянием амплитудно-фазовых возмущенийв поперечном сечении импульса.В §13 исследована рефокусировка мощного фемтосекундного лазерногоимпульса после филаментации в слое аэрозоля.
Показано, что наличие на атмосфернойтрассе облака аэрозольных частиц приводит к уменьшению энергии филамента, ирефокусировка импульса за слоем приобретает стохастический характер, связанный сконкуренцией влияния возмущений, вызванных рассеянием на частицах аэрозоля, ифильтрации пространственных мод излучения.В §14 рассмотрены потери энергии высокой плотности, которую переноситфиламент, связанные с отдельными физическими процессами, определяющими егораспространение в атмосфере через слой аэрозоля: фотоионизацией, плазменнойдефокусировкой и рассеянием на частицах.
Статистические испытания методом МонтеКарло со слоями разной толщины и одинаковой оптической толщи аэрозоля показали,что потери на ионизацию воздушной среды значительно меньше потерь,обусловленных другими процессами при филаментации фемтосекундного лазерногоимпульса в атмосферном аэрозоле.Так, для коллимированного фемтосекундного лазерного импульса гауссовойформы с параметрами: λ = 0.8 мкм, τ0 = 140 фс, a0 = 1.5 мм, W0 = 10 мДж, I0 = 5⋅101111Вт/см2, P0 = 40 ГВт при его распространении через плотный слой аэрозоля толщинойLaer = 10 см, радиусом частиц R = 10 мкм и концентрацией N = 8⋅103 см-3 полные потериэнергии, локализованной в филаменте, составляют ΔWΣ = 0.26 мДж. Потери энергиифиламента, вызванные только рассеянием на частицах, составляют ΔWscatt= 0.20 мДж;потери, обусловленные нелинейно-оптическим взаимодействием излучения со средой,на длине слоя значительно меньше и составляют ΔWion+defocus= 0.044 мДж.
При этомпотери только на фотоионизацию ΔWion = 0.01 мДж в несколько раз меньше, чем потериэнергии в филаменте, обусловленные ее выносом вследствие плазменнойдефокусировки.При этом сумма потерь, связанных с дефокусировкой в плазме и сфотоионизацией ΔWion+defocus , и потерь, связанных с рассеянием на каплях аэрозоляΔWscatt, не равна полным потерям энергии филамента в слое аэрозоля ΔWΣ:ΔWΣ ≠ ΔWscatt + ΔWion+defocus.(5)При этом в зависимости от толщины слоя аэрозоля, а, значит, и длины нелинейноговзаимодействия, полные потери могут быть как больше, так и меньше суммы потерь,связанных с отдельными процессами.В §15 сформулированы основные выводы по третьей главе.Вчетвертойглаве"Множественнаяфиламентациямощногофемтосекундного лазерного импульса в аэрозоле" дан анализ влияния когерентногорассеяния на частицах аэрозоля на формирование множества филаментов и плазменныхканалов в импульсе, мощность которого во много раз превышает критическуюмощность самофокусировки в воздухе.
Методом Монте-Карло исследована нелинейнаязадача о зарождении филаментации фемтосекундных лазерных импульсов в плотном иразреженном аэрозоле. Проведен статистический анализ конкуренции двух факторов,связанных с рассеянием в аэрозоле, при множественной филаментации лазерногоимпульса в атмосфере: генерации возмущений светового поля и ослабления мощностиизлучения. Определены критерии подобия задачи о филаментации мощногофемтосекундного лазерного импульса в аэрозоле. Рассмотрена возможность заменыдисперсной нелинейной среды эквивалентной сплошной средой с коэффициентомослабления, соответствующим параметрам аэрозоля.В §16 представлена физическая картина филаментации лазерного импульса вплотном и разреженном аэрозоле. Рассмотрен сценарий формирования множественнойфиламентации фемтосекундного импульса при когерентном рассеянии на частицахаэродисперсной среды.
В дисперсной среде происходит интерференция возмущений,возникающих при когерентном рассеянии на большом числе случайно расположенныхчастиц. При большой мощности импульса наведенные максимумы поля в приосевойобласти импульса нарастают вследствие модуляционной неустойчивости мощного12светового поля в среде с кубичной нелинейностью и формирование филаментовявляется существенно стохастическим.Для импульса с параметрами τ0 = 140 фс, a0 = 2.5 мм, P0 = 50Pcr полученыраспределения плотности энергии и концентрации электронов в пространстве врезультате распространения в аэрозоле с радиусом частиц R = 15 мкм и ихконцентрацией N = 100 см-3. При множественной филаментации происходитформирование хаотически расположенных протяженных филаментов и отдельныхобластей с высокой концентрацией энергии, образуются плазменные каналынеправильной формы и отдельные очаги плазмы (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
