Филаментация фемтосекундного лазерного импульса в атмосфере в условиях когерентного рассеяния в водном аэрозоле (1105077), страница 5
Текст из файла (страница 5)
6. Распределение плотности энергии F(x, y) импульса на разных расстояниях z прираспространении (а) в аэрозоле с концентрацией N = 10 см-3 и радиусом частиц R = 15 мкм, (б)в турбулентности c параметрами: структурная постоянная C n2 = 10-13 см-2/3, внутренниймасштаб l0 = 1 мм, внешний масштаб L0 = 1 м, (в) в турбулентной атмосфере с аэрозолем,параметры среды те же, что в (а) и (б). Параметры импульса: τ0 = 140 фс, a0 = 2.5 мм,I0 = 1012 Вт/см2, P0 = 200 ГВт, F0 = 0.25 Дж/см2.Таблица 1.
Расстояние до старта филаментации, м.P = 400 ГВт,a0 = 1 смP = 400 ГВт,a0 = 1 смP = 400 ГВт,a0 = 2 смCn2 = 10-16 см-2/3Cn2 = 10-16 см-2/3Cn2 = 10-17 см-2/3R = 15 мкм,R = 15 мкм,R = 5 мкм,N = 10 см-3N = 25 см-3N = 10 см-324.624.697.4Аэрозоль безтурбулентности <zaer>28.0 ± 1.441.2 ± 3.6104.3 ± 6.1Турбулентная среда саэрозолем <zturb+aer>27.2 ± 1.141.1 ± 3.9100.1 ± 5.029.444.5104.2ИмпульсСтруктурная постояннаяL0 = 1 м, l0 = 1 ммПараметры аэрозоляТурбулентная прозрачнаяzturbсреда ~Турбулентная среда слинейным ослаблениемВ §23 сформулированы основные выводы по шестой главе.18В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.В приложении дано расширенное описание модели многофотонной ионизацииПереломова-Попова-Терентьева, используемое для расчета зависимости скоростиионизации кислорода и азота в настоящей работе.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ1.
Развита стратифицированная модель когерентного рассеяния мощного лазерногоизлучения на ансамбле частиц водного аэрозоля в атмосфере со случайнымифлуктуациями показателя преломления. Модель основывается на представленииаэродисперсной турбулентной среды в виде последовательности слоев конечнойтолщины. Каждый слой моделируется экранами: нелинейным, аэрозольным итурбулентным. Между экранами происходит свободная дифракция.
На примерелинейной среды показано, что модель когерентного рассеяния адекватно описываетослабление лазерного излучения при его распространении в дисперсной средеоблаков.2. Исследована конкуренция двух факторов, связанных с когерентным рассеянием начастицах аэрозоля: генерации возмущений светового поля и ослабления мощностиизлучения. При малой концентрации частиц доминирует влияние возмущений,вызванных когерентным рассеянием, и развивается множественная филаментациямощного фемтосекундного лазерного импульса. С увеличением концентрациипроявляется ослабление энергии импульса, расстояние до старта филаментоввозрастает, их число уменьшается.
Дальнейшее увеличение концентрации приводит крежиму одного филамента и, наконец, подавлению филаментации. Безразмернымипараметрами подобия задачи о множественной филаментации лазерного импульса ваэрозоле являются расстояние до старта филаментации, отнесенное к дифракционнойдлине для масштаба, содержащего критическую мощность самофокусировки, иоптическая толща среды τ на длине, равной минимальному расстоянию домножественной филаментации.
При оптической толще аэродисперсной среды нарасстоянии филаментации τ < 0.2 определяющим является влияние возмущений наобразование множества филаментов, при τ > 0.2 доминирует ослабление мощности.3. Исследованы стохастизация и восстановление филамента фемтосекундноголазерного импульса при прохождении через тонкий слой плотного водного аэрозоля.Показано,чтосформировавшийсяфиламентхарактеризуетсявысокойустойчивостью к возмущениям, возникающим при рассеянии в слое плотногоаэрозоля, что обусловлено фильтрацией пространственных мод излучения вфиламенте.
После прохождения через слой плотного аэрозоля, вызывающеговозмущения в распределении интенсивности в результате рассеяния на частицах,19происходит восстановление осесимметричной моды филамента – унимодальной дляколлимированного импульса и кольцевой в условиях сильной фокусировки.4. В дисперсной среде потери энергии высокой плотности, локализованной в сечениифиламента, обусловлены совокупностью факторов: рассеянием на частицах аэрозоля,дефокусировкой в лазерной плазме и фотоионизацией газовых компонент воздуха. Вфиламенте потери на фотоионизацию в несколько раз меньше, чем потери,обусловленные выносом энергии вследствие плазменной дефокусировки.
Сувеличением длительности импульса при постоянной энергии потери высокоплотнойэнергии в филаменте, вызванные дефокусировкой, уменьшаются и эффективность еепереноса повышается. В слое аэрозоля высокой плотности с τ = 0.5 потери,связанные с рассеянием на частицах, значительно превышают потери, вызванныенелинейно-оптическим взаимодействием излучения со средой. Статистическиеиспытания методом Монте-Карло показали, что потери, связанные с дефокусировкойв плазме и с фотоионизацией, и потери, связанные с рассеянием на каплях аэрозоля,не аддитивны.5.
Исследована рефокусировка фемтосекундного лазерного импульса послераспространения через слой дисперсной среды. При малой оптической толще слоядоминирует замедление перетекания энергии к оси импульса при рефокусировке изза возмущений интенсивности на периферии поперечного сечения импульса,наведенных в слое. При большой оптической толще слоя рефокусировка импульсастановится стохастической вследствие конкурирующего характера влияниянаведенных возмущений, которые могут как инициировать восстановление модыТаунса, так и замедлять ее формирование в сечении импульса.6.
Впервые исследована филаментация мощного фемтосекундного лазерного импульсав условиях совместного влияния турбулентности и рассеяния в аэрозоле.Установлено, что когерентное рассеяние на частицах аэрозоля приводит кперераспределению филаментов в пространстве и увеличивает расстояние до стартафиламентации мощного фемтосекундного импульса в турбулентной атмосфере.
Приэтом в турбулентной атмосфере рассеяние на аэрозоле, с одной стороны, замедляетмножественную филаментацию вследствие ослабления энергии импульса, а с другой,способствует зарождению филаментов на неоднородностях поля, возникающих прикогерентном рассеянии.7. Влияние на филаментацию фемтосекундного лазерного импульса аэрозольногорассеяния эквивалентно сплошной ослабляющей среде в условиях большойоптической толщи аэрозоля, при которой в процессе филаментации доминируетослабление энергии при рассеянии на частицах и в импульсе формируется одинфиламент или филаментация отсутствует.20СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИОсновные результаты диссертации отражены в следующих статьях:1.
Е.П. Силаева, В.П. Кандидов "Рефокусировка мощного фемтосекундного лазерногоимпульса за слоем атмосферного аэрозоля". Вестник МГУ. Физика и астрономия,№4, 57-62 (2009).2. Е.П. Силаева, В.П. Кандидов "Перенос филамента мощного фемтосекундногоимпульса в слое аэрозоля". Оптика атмосферы и океана, 22(2), 132-140 (2009).3. V.P. Kandidov, E.P. Silaeva "Self-focusing and multiple filamentation of laser light indisperse media". Journal or Russian Laser research, 30(4), 305-320 (2009).4.
Е.П. Качан (Силаева), В.О. Милицин "Влияние частиц атмосферного аэрозоля назарождение филаментов в лазерном пучке". Оптический журнал, 73(11), 38-44(2006).5. В.О. Милицин, Е.П. Качан (Силаева), В.П. Кандидов "Многократное рассеяние,модуляционная неустойчивость и филаментация фемтосекундного лазерногоимпульса в дисперсной среде". Квантовая электроника, 36(11), 1032-1038 (2006).6.
E.P. Silaeva, S.A. Shlenov, V.P. Kandidov "Multifilamentation of high-powerfemtosecond laser pulse in turbulent atmosphere with aerosol", Applied Physics B: Lasersand Optics, DOI: 10.1007/s00340-010-4081-z (2010).7. В.П. Кандидов, С.А. Шленов, Е.П. Силаева, А.А. Дергачев. "Филаментация мощногофемтосекундного лазерного излучения в воздухе и ее приложения в атмосфернойоптике". Оптика атмосферы и океана, 23(10), (2010).8. E.P.
Silaeva, V.P. Kandidov "Femtosecond laser pulse filament robustness in aerosollayer". Proceedings SPIE 7090, 70900D (2008).9. E.P. Silaeva, O.V. Tverskoy, V.P. Kandidov. "Femtosecond pulse duration as a tool forcontrolling high fluence of laser filament in air". Proceedings SPIE, 74300X (2009).и докладывались на международных конференциях:E.P. Silaeva, S.A. Shlenov, V.P. Kandidov.
Multifilamentation of high-powerfemtosecond laser pulse in aerodisperse turbulent atmosphere. Book of abstracts, 3rdInternational Symposium on Filamentation (Crete, Greece, 31 May-05 June 2010), p. 121.2. E.P. Silaeva, V.P. Kandidov. High-power femtosecond laser pulse filamentation inatmospheric aerosol.
Book of Abstracts, International Advanced Research Workshop onModern Problems in Optics and Photonics (Yerevan, Armenia, 27 August – 2 September,2009), p. 49.1.213.4.5.6.7.8.9.10.11.E.P. Silaeva, O.V. Tverskoy, V.P. Kandidov. Femtosecond pulse duration as a tool forcontrolling high fluence of laser filament in air. International conference "SPIE Opticsand Photonics" (Сан-Диего, США, 2-6 августа 2008).О.В. Тверской, Е.П.
Силаева. Влияние длительности импульса на перенос лазернойэнергии в филаменте. XVI Международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов" (Москва, 13-18 апреля,2009).E.P. Silaeva, V.P. Kandidov. Influence of water aerosol layer on filament and plasmachannel of femtosecond laser pulse. Technical Digest, Third Russian-French LaserPhysics Workshop for Young Scientists (Saint-Petersburg, Russia, 22–27 September,2008), p. 2.E.P. Silaeva, V.P. Kandidov.
Femtosecond laser pulse filament robustness in aerosollayer. International conference "SPIE Optics and Photonics" (Сан-Диего, США, 10-14августа 2008).V.O. Militsin, E.P. Kachan (Silaeva), V.P. Kandidov. Filamentation of FemtosecondLaser Pulse in Atmospheric Aerosol. Technical Summaries, International Conference"High Power Laser Beams" (HLPB-2006), (N.Novgorod, Russia, 1 - 8 July, 2006), p. 74.Е.П. Качан (Силаева), В.О.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
