Автореферат (1105133)
Текст из файла
На правах рукописиДергачев Александр АлександровичФормирование и характеристики плазменныхканалов при филаментации фемтосекундноголазерного излучения в воздухеСпециальность 01.04.21 — Лазерная физикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква — 2014Работа выполнена на кафедре Общей физики и волновых процессов Физического факультета Московского государственного университета имени М. В. ЛомоносоваНаучный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент Шленов Святослав АлександровичОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук,профессор Козлов Сергей Аркадьевич,Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, г.
Санкт-Петербургдоктор физико-математических наук,профессор Чекалин Сергей Васильевич,Институт спектроскопии РАН, г. Москва,г. ТроицкВедущая организация:Институт оптики атмосферы им. В. Е. ЗуеваСО РАН, г. ТомскЗащита состоится «19» февраля 2015 г. в 1500 на заседании диссертационногосовета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имениМ. В.
Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ,д. 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С. А. Ахманова.С текстом диссертации можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М. В. Ломоносова (Ломоносовский пр-т, д. 27) и насайте физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносоваhttp://www.phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-31/.Автореферат разослан «»года.Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наукА.
А. КоновкоОбщая характеристика работыАктуальность темыРаспространение мощных фемтосекундных лазерных импульсов в прозрачных диэлектриках приводит к пространственно-временной локализации энергии импульса, котораясохраняется на больших расстояниях вдоль направления распространения излучения. Этапротяженная высокоэнергетичная структура в лазерном импульсе получила название филамент.Первое опубликованное экспериментальное наблюдение явления филаментации датируется 1965 годом1 . Развитие лазерных технологий привело к созданию фемтосекундныхлазеров в начале 1990-х годов. Это дало возможность получать лазерные импульсы с длительностью 100 фс и менее с пиковой мощностью более нескольких ГВт, что позволилонаблюдать филаментацию в газах.
Первое наблюдение филаментов в воздухе относится к1995 году2 .Начальной стадией филаментации является процесс самофокусировки, необходимымусловием развития которой является превышение мощности пучка так называемой критической мощности самофокусировки 3 . Для газовых сред величина критической мощности самофокусировки доходит до нескольких ГВт, для твердотельных сред она составляетединицы МВт (на длине волны 800 нм).Коллапс пучка останавливается, когда интенсивность оказывается достаточной дляфотоионизации среды, в результате образуется разреженная плазма свободных электронов.
После прохождения точки образования плазмы, называемой нелинейным фокусомпучка, между фокусирующей керровской и дефокусирующей плазменной нелинейностями возникает динамический баланс, который приводит к формированию тонкой протяженной структуры с высокой концентрацией световой энергии — лазерному филаменту4 .Результатом ионизации среды проходящем в режиме филаментации лазерным излучениемявляется образование узкого плазменного канала. Разреженная лазерная плазма, оставшаяся после прохождения фемтосекундного импульса, испытывает релаксацию, характерноевремя которой составляет порядка нескольких наносекунд.Характерный поперечный размер воздушных филаментов лазерного излучения с длиной волны 800 нм составляет около 100 мкм, пиковые значения интенсивности доходят доВт1014 2 .
Диаметр сопутствующих плазменных каналов составляет около 50 мкм, а консмцентрация электронов в них достигает значений 1016 см−3 .Математическая модель явления филаментации к настоящему времени, в целом, построена, однако только немногие параметры филаментации могут быть оценены аналитически с приемлемой точностью, поэтому актуальной задачей является численное исследование.Пилипецкий Н.Ф., Рустамов А.Р. Письма в ЖЭТФ, 2, 88 (1965)Braun A.
et al. Opt. Lett., 20, 73 (1995)3Chiao R.Y. et al. Phys. Rev. Lett., 13, 479 (1964)4Couairon A., Mysyrowicz A. Phys. Rep., 441, 47 (2007); Кандидов В.П. и др. Квант. Эл., 39, 204 (2009)12—1—Численное моделирование филаментации сопряжено с рядом трудностей, обусловленных многомасштабностью задачи. Необходимость иметь достаточно большую в поперечном сечении расчетную сетку, чтобы вместить весь лазерный пучок, и одновременно высокое пространственное разрешение, чтобы прописать тонкую структуру филаментов иих плазменных каналов, ведет к большому числу точек расчетной сетки. Во временномпрофиле импульса также возникают структуры малой длительности (порядка несколькихфемтосекунд), что приводит к необходимости иметь также временную сетку с высокимразрешением.
В результате полный объем данных о мгновенном состоянии импульса составляет порядка десятков Гбайт. При таких объемах данных возникает необходимостьиспользования распределенных вычислений и параллельных алгоритмов для работы сданными, что и было выполнено в диссертации.При экспериментальных исследованиях филаментации в качестве лазерного источника, в основном, используются титан-сапфировые лазерные системы, поэтому большинстворезультатов относятся к длине волны 800 нм. В то же время ряд работ указывает на потенциальные преимущества УФ филаментов в таких приложениях, как создание атмосферных волноводов, спектроскопия пробоя, индуцированного филаментом, обнаружениевзрывчатых веществ, сверление микроотверстий5 .
С точки зрения физических эффектов,большая энергия кванта в УФ диапазоне по сравнению с ИК может приводить к болеелегкой ионизации воздуха с образованием более длинных плазменных каналов. Однаковозможности управления параметрами каналов изучены сравнительно слабо. В диссертации проведено сравнение параметров филаментации в УФ и ИК диапазонах при наличиивнешней фокусировки.Если начальная пиковая мощность лазерного импульса превосходит критическую мощность самофокусировки в сотни раз, то филаментация приводит к распаду единого пучкана отдельные структуры — множественные филаменты.
Причиной распада могут выступать неоднородности в начальном распределении энергии в пучке или нерегулярностив распределении показателя преломления в среде, например, турбулентные флуктуациив атмосфере. Вследствие модуляционной неустойчивости6 флуктуации в распределенииэнергии в мощном пучке будут нарастать, что приведет к распаду пучка и множественнойфиламентации.Важное значение для практического использования филаментации на протяженныхатмосферных трассах имеет продольная нестабильность точки старта филамента. В отдельных работах указывалось как на уменьшение, так и на увеличение расстояния донелинейного фокуса по сравнению с регулярной средой при различных параметрах лазерного пучка и атмосферной турбулентности7 .
Таким образом, требуется комплексныйстатистический анализ влияния атмосферной турбулентности на пучки при различныхпараметрах импульса (пиковой мощности, диаметра пучка) и атмосферы (интенсивностиTzortzakis S. et al. Opt. Lett., 31, 1139 (2006); Mirell D. et al. JOSA B, 25, B108 (2008); Schwarz J., DielsJ.-C.
Appl. Phys. A, 77, 185 (2003)6Беспалов В.И., Таланов В.И. Письма в ЖЭТФ, 3, 471 (1966)7Peñano J.R. et al. Physics of Plasmas, 11, 2865 (2004); Шленов С.А., Кандидов В.П. Опт. атмос. иокеана, 17, 630 (2004); Paunescu G. et al. Appl.
Phys. B, 96, 175 (2009)5—2—турбулентных флуктуаций).Развитая множественная филаментация характеризуется большим числом одновременно взаимодействующих филаментов. С целью прояснения особенностей формирования иразвития картины множественной филаментации, а также с целью управления потокамиэнергии и положением плазменных каналов при филаментации важно рассмотреть взаимодействие отдельных филаментов.Цели и задачи диссертационной работы1. Исследование параметров филаментов и плазменных каналов при филаментациилазерного излучения фемтосекундной длительности ИК и УФ диапазонов длинволн в сфокусированных пучках в воздухе.2. Исследование факторов, позволяющих увеличить протяженность плазменных каналов лазерных филаментов в сфокусированных пучках.3.
Статистическое исследование процесса самофокусировки лазерного пучка на протяженной трассе в турбулентной атмосфере и определение закономерностей в положении точки старта филамента и плазменного канала.4. Исследование множественной филаментации мощного лазерного излучения фемтосекундной длительности и установление общих закономерностей картины филаментации при взаимодействии отдельных филаментов.5. Создание пакета программ для расчета задачи филаментации фемтосекундноголазерного излучения с возможностью масштабирования на современных вычислительных кластерах.Научная новизна работы1. При численном исследовании зависимости параметров филаментации в сфокусированных импульсах от остроты фокусировки установлено качественное отличиев формировании филамента и плазменного канала излучения УФ диапазона, которое по сравнению с излучением ИК диапазона имеет более мягкий характер приодинаковом превышении пиковой мощности над критической.2. Впервые получена подробная статистика образования филамента при распространении лазерного импульса в турбулентной атмосфере.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
