Диссертация (1105134), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Крометого, необходимо иметь ввиду, что эти потери приходятся на наиболее продуктивные с точкизрения плазмообразования центральные временные слои импульса.Таким образом, потери энергии импульсом на фотоионизацию в большей степени ограничивают длину УФ филамента и препятствуют развитию рефокусировок в импульсе, чемв случае ИК филамента.— 66 —3.3. Экспериментальные результаты измерений плазменных каналовБыло проведено сопоставление результатов экспериментов с фокусированными пучкамиИК и УФ излучения с численным моделированием с параметрами эксперимента. Эксперимент был выполнен в лаборатории газовых лазеров Физического института им.
П. Н. Лебедева РАН Л. В. Селезневым и Е. С. Сунчугашевой. Схема экспериментальной установкиприведена на рис. 3.4.Излучение титан-сапфирового лазера на длине волны 744 нм использовалось для исследования филаментации в ИК диапазоне, его третья гармоника на длине волны 248 нм — в УФдиапазоне. С помощью собирающей линзы формировались сходящиеся пучки радиусом 4 ммс длиной фокусировки 110 см на длине волны 744 нм и 100 см на 248 нм. Длительность излучения составляла 100 фс (FWHM).
Измерение линейной плотности плазмы осуществлялосьпосредством конденсатора с обкладками в виде двух полусфер радиусом 1 см, центры которых лежат на прямой, перпендикулярной измеряемому плазменному каналу. Кратчайшеерасстояние между полусферами составляло 2 – 3 мм. При образовании плазменного каналав филаменте, проходящем между полусферами, емкость конденсатора изменялась, и ток егоперезаряда регистрировался осциллографом. Поскольку изменение емкости зависит от концентрации электронов, протяженности и ширины плазменного канала между сферами, тоизмеряемый ток перезаряда пропорционален линейной плотности плазмы в филаменте.Измерения проводились для двух значений энергии: 2.8 мДж и 5.9 мДж для длины волны 744 нм и 116 мкДж и 250 мкДж для 248 нм. Они соответствуют пиковой мощности излучения около 10 и 20 критических мощностей самофокусировки для приведенных длинволн.
В численном моделировании использовалось предположение об однородном гауссовомпрофиле пучков, что приводило к возникновению только одного филамента. Это предположение оправдано для меньших энергий (пиковая мощность порядка 10 ), однако прибольших значениях в пучке возможно одновременное образование нескольких филаментоввследствие неоднородностей в пучке. Тем не менее, отдельный вычислительный экспериментРис.
3.4. Схема экспериментальной установки. 1 — лазерное излучение, 2 — автокоррелятор, 3 — измеритель энергии, 4 — делители пучка, 5 — ослабитель, 6 — линза, 7 — электроды, 8 — диафрагма, 9 — осциллограф. Измерительная система (выделена пунктиром) сдвигалась вдоль филамента.
На электроды было подано напряжение V = 300 В.— 67 —с неоднородным пучком, распределение интенсивности в котором было близким к экспериментальному, не показал существенных количественных отличий в протяженности плазменных каналов и концентрации электронов в них по сравнению с однородным пучком тойже мощности. Возможно, это связано с тем, что отдельная неоднородность исходного пучкаимела сравнительно небольшую пиковую мощность и не формировала в процессе распространения плазменный канал с существенной концентрацией электронов.Результаты сравнения экспериментальных данных с численным моделированием представлены на рис.
3.5. Как в численном моделировании, так и в эксперименте при увеличении энергии импульсов протяженность канала возрастала, а его начало смещалось к выходулазерной системы. Также численное моделирование корректно воспроизводит обрыв плазменного канала ИК филамента сразу после линейного фокуса и протягивание его за фокусв случае УФ излучения. Наличие отдельных пиков в распределении концентрации электронов в плазменном канале ИК филамента связано с эффектом рефокусировки, однако оно невоспроизводилось в эксперименте, вероятно, из-за усреднения сигнала по апертуре измерительного прибора, характерный размер которого составляет несколько сантиметров. Однакодаже такое усреднение не может объяснить значительную разницу в протяженности каналов:в эксперименте она получается почти в два раза больше, чем в моделировании.Следует отметить, что пиковые значения линейной концентрации электронов , полученные в численном моделировании, также согласуются с экспериментальными.
Например,Рис. 3.5. Изменение линейной концентрации плазмы вдоль направления распространения импульса для разных начальных энергий импульсов : точки —экспериментальные данные, сплошные кривые — численное моделирование. Вертикальная шкала соответствует результатам моделирования, экспериментальныерезультаты нормированы так, чтобы максимумы экспериментальных данных и результатов моделирования совпадали. Пунктиром отмечена фокальная плоскость.— 68 —при изменении энергии вдвое сигнал, регистрируемый осциллографом, возрастал вдвое дляобеих длин волн, так же как и пиковое значение в моделировании. Также экспериментальные сигналы для разных длин волн и одинаковом превышении мощности над отличалисьв несколько раз (сигнал на осциллографе около 110 мВ для меньшей энергии ИК импульса и около 30 мВ для меньшей энергии УФ импульса). Абсолютные значения концентрацииэлектронов в эксперименте не определялись.Таким образом, экспериментальные результаты измерения плазменных каналов продемонстрировали существенное количественное отличие от полученных в численном моделировании.
Плазменные каналы в эксперименте оказались значительно более протяженными, чемв численном моделировании. В последующих разделах этой главы обсуждаются возможныепричины этого различия, а также предлагаются способы управления длиной плазменногоканала.3.4. Влияние динамической кривизны волнового фронтана параметры филаментации3.4.1. Модель излучения с динамической кривизной волнового фронтаВ эксперименте лазерный импульс, как правило, проходит на своем пути твердые прозрачные диэлектрики. Ими могут выступать кристалл усилителя, кристалл генерации кратнойгармоники, светоделительные пластины, линзы. Для наблюдения филаментации в воздухепиковая мощность импульса должна превосходить критическую мощность самофокусировки в воздухе, которая составляет несколько ГВт, следовательно, она также тысячекратнопревосходит критическую мощность самофокусировки в твердом диэлектрике, которая составляет несколько МВт.
Вследствие этого при распространении импульса сквозь указанныеоптические элементы существенным оказывается эффект Керра, и импульс приобретает дополнительную фазовую модуляцию. Если совокупная оптическая толща всех твердотельныхэлементов велика, то фазовые искажения могут в процессе дифракции успеть перейти вамплитудные, изменив тем самым пространственно-временное распределение энергии. Фактически для точного учета оптических элементов требуется последовательно решить полнуюзадачу филаментации в твердом диэлектрике, а затем ее решение использовать в качественачального условия для второй задачи филаментации в воздухе. При наличии несколькихоптических элементов подобные действия необходимо проделать несколько раз.Попытка учесть влияние входного окна газовой кюветы на распространение в газе остросфокусированного излучения была предпринята в [187].
Входное окно было сделано из плавленого кварца и имело толщину 5 мм. Лазерный импульс имел пиковую мощность, превосходящую критическую мощность самофокусировки в плавленном кварце в несколько сотенраз, и был сфокусирован линзой с фокусным расстоянием 50 см и 20 см. В экспериментенаблюдалось смещение фокальной перетяжки в целом, ее форма сохранялась, а сдвиг по— 69 —направлению к входному окну составлял несколько менее 1 см и зависел от энергии импульса. Дополнительным эффектом, связанным с прохождением кварцевого окна, стало усилениемелкомасштабных возмущений в начальном пучке, что привело к ухудшению качества пучкаи небольшому увеличению диаметра перетяжки при большой энергии импульса.Влияние керровской нелинейности в лазерных усилителях часто оценивают с помощью∫︀2 Δ2 (), который определяет полный фазовый набег на оси пучка,-интеграла = 0приобретаемый им при прохождении дистанции ∆ [188].
При > 1 ÷ 2 пучок может распасться на отдельные субструктуры вследствие мелкомасштабной самофокусировки в прозрачных компонентах усилителя. При исследовании филаментации характерные начальныезначения интенсивности поля составляют величину порядка 1011 Вт/см2 , что для диэлектриков толщиной менее 1 см приводит к значению < 1.
В этом случае распада пучка наотдельные структуры не происходит. Поэтому в дальнейшем считается, что в твердотельномдиэлектрике приобретенные фазовые искажения не успевают перейти в амплитудные, такчто импульс при прохождении прозрачной пластины приобретает только фазовую самомодуляцию.В приближении тонкой линзы эту фазовую самомодуляцию импульса с гауссовым пучкомв твердотельном диэлектрике можно оценить как22002 · 20 ∆,∆ = −тв∆( ) = −тв2 max ( )2 (, ) ·−(3.2)где max ( ) — максимальная интенсивность во временном слое, тв2 — коэффициент керровской нелинейности твердого диэлектрика, 0 — его показатель преломления, ∆ — толщинапластинки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
