Диссертация (1105134), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Распределение поверхностной плотности энергии (, ) вдоль радиальной и продольной координат при филаментации ИК импульса в отсутствиидинамической кривизны волнового фронта (б) и при наличии дополнительной фокусировки (а) и дефокусировки (в) центральных временных слоев.выполнено сопоставление результатов моделирования с экспериментальными, полученнымив лаборатории газовых лазеров ФИАН Л. В. Селезневым и Е. С.
Сунчугашевой. В эксперименте использовалось лазерное излучение на длине волны 744 нм длительностью 100 фс(FWHM) и энергией в импульсе 2.2 мДж, что соответствует пиковой мощности в импульсепорядка 10 . Профиль пучка был гауссовым с радиусом 0 = 2 мм. Лазерное излучение было сфокусировано зеркалом с фокусным расстоянием 3 м.
На расстоянии 70 см после зеркалана пути пучка располагалась плоскопараллельная кварцевая пластина толщиной 4.5 мм или10.5 мм, распространение сквозь которую приводило к фазовой самомодуляции импульса, атакже к небольшим потерям энергии импульсом (около 10%).Вследствие превышения критической мощности самофокусировки в пучке формировалсяфиламент, плазменный канал которого регистрировался той же системой полусферическихэлектродов, что и в разделе 3.3. Помимо этого для регистрации филамента использоваласьтакже пробная плоскопараллельная кварцевая пластинка толщиной 0.15 мм. Эту пластину— 74 —перемещали вдоль направления распространения импульса; когда она оказывалась близка кточке старта филамента в воздухе, филаментация начинала развиваться уже в самой пробнойпластине, что сопровождалось заметным невооруженным глазом излучением суперконтинуума.
С учетом толщины пробной пластины и соотношения между критическими мощностямисамофокусировки в воздухе и в кварце ( / ≈ 103 ) можно утверждать, что кварцевая пластина толщиной 0.15 мм примерно эквивалентна слою воздуха толщиной 15 см. Этавеличина определяет точность регистрации старта филамента.Экспериментальные результаты измерения плазменных каналов, а также результаты численного моделирования с параметрами эксперимента представлены на рис.
3.9. Видно, чтокак в моделировании, так и в эксперименте введение пластины в пучок не приводит к смещению конца плазменного канала, в то время как его начало сдвигается навстречу импульсу темсильнее, чем толще пластина. В численном моделировании величина смещения составляет40 см для пластины толщиной 4.5 мм и 75 см для пластины 10.5 мм. В эксперименте получены вдвое меньшие значения 20 см и 40 см, что может объясняться большим количествомсделанных предположений об однородном характере пучка, пластины, а также неточностьювеличин критической мощности самофокусировки в воздухе и кварце.
В целом введение пластины в пучок увеличивало протяженность плазменного канала почти в два раза в моделив моделированиировании и на 30% в эксперименте. При этом полное число электронов 1313слегка возрастало: от 8 · 10 в отсутствии пластины до 9.5 · 10 в случае пластины толщиной10.5 мм.Также видно, что плазменные каналы в численном моделировании характеризуются существенно большей модуляцией, связанной с последовательными рефокусировками излучения. Их отсутствие в эксперименте может быть связано с усреднением измеряемой величины по апертуре прибора, а также по времени измерения, за которое лазерная плазма может(а)(б)Рис. 3.9.
Электрический сигнал в эксперименте (логарифмическая шкала) (а) илинейная концентрация электронов в численном моделтровании (б) на разномрасстоянии от кварцевой пластины. Приведены графики для двух пластин разнойтолщины (4.5 мм и 10.5 мм), а также для случая отсутствия пластины. На левомграфике вертикальные отрезки в левом нижнем углу обозначают положение старта филамента, определяемое с помощью пробной пластины, тонкая вертикальнаялиния обозначает положение геометрического фокуса собирающего зеркала.— 75 —успеть частично релаксировать.Таким образом, в эксперименте качественно воспроизводится смещение старта плазменного канала навстречу излучению при использовании динамической кривизны волновогофронта.
Это может быть использовано для управления длиной канала.3.5. Влияние астигматизма начального пучка на параметры филаментацииВ рассмотренных выше экспериментах для управления распространением лазерного импульса среди прочих оптических элементов использовались собирающие зеркала, причемпучок мог падать на зеркало под значительным углом к нормали. Это приводит к добавлению в волновой фронт пучка астигматической аберрации, которая может быть представленав виде0 2 0 2+.(3.6)(, ) =22Количественно астигматизм задается двумя геометрическими фокусами и (не умаляяобщности, будем считать < ).
В качестве безразмерного параметра, характеризующего∆астигматизм, было выбрано отношение (параметр астигматизма), равное отношению0расстояния между меридиональным ( ) и сагиттальным ( ) фокусами (продольной меры) + к среднему фокусному расстоянию 0 =. При = астигматизм отсутствует,2пучок в целом сфокусирован на расстояние 0 . В данном разделе анализируется влияниеастигматизма входного пучка на параметры плазменных каналов.При слабом астигматизме можно ожидать, что перетяжкой пучка будет вся область между геометрическими фокусами, что в нелинейном режиме распространения приведет к удлинению филамента и плазменного канала по сравнению с безаберрационной фокусировкойпучка. При сильном астигматизме геометрические фокусы окажутся далеко друг от друга,и можно ожидать разрыва канала на два отрезка вблизи геометрических фокусов.3.5.1. Численное моделирование филаментации лазерного излученияс астигматизмомВ моделировании использовались 100 фс импульсы с пиковой мощностью 5 критическихна двух длинах волн: 744 нм и 248 нм.
Радиус гауссового пучка равнялся 3 мм, радиус фокусировки 0 = 50 см. Параметр астигматизма варьировался в диапазоне от 0, что соответствуетбезаберрационной фокусировке, до 0.16.На рис. 3.10 показаны зависимости пиковой интенсивности в филаменте и максимальнойлинейной концентрации электронов в плазменном канале ИК (а) и УФ (б) импульсов, атакже полное число электронов (в) для двух диапазонов длин волн. Видно, что увеличение астигматизма пучка приводит к монотонному уменьшению пиковой интенсивности вфиламенте до двух раз (в исследованном диапазоне параметров).
Это связано с тем, что при— 76 —(а)(б)(в)Рис. 3.10. Пиковая интенсивность в филаменте и линейная концентрация электронов в плазменном канале при филаментации ИК (а) и УФ (б) импульсавс астигматическим профилем пучка, а также полное число электронов плазменном канале (в) для ИК и УФ импульса.сильном астигматизме геометрическая фокусировка фактически происходит вначале только по одному из двух поперечных направлений (например, вдоль оси ). Это препятствует быстрому формированию нелинейного фокуса.
Характер фокусировки приближается кфокусировке щелевого пучка, и для предотвращения коллапса достаточно оптически болееслабой рассеивающей линзы, формируемой самонаведенной плазмой в канале филамента.Уменьшение интенсивности в филаменте вызывает резкое падение скорости ионизации, соответственно, значительно снижается и концентрация электронов в лазерной плазме. Приэтом, как показали результаты численного моделирования, поперечный размер плазменныхканалов ИК излучения, определяемый по уровню −1 от максимальной концентрации электронов в данном сечении пучка, не меняется или незначительно уменьшается. В итоге этоприводит к падению полного числа электронов в плазменном канале приблизительно в 50раз (рис. 3.10в). Для УФ импульсов характерен рост поперечного размера плазменных каналов.
Поэтому линейная концентрация плазмы падает медленнее (рис. 3.10б) и полное числоэлектронов в плазменном канале уменьшается только в 3.5 раза (рис. 3.10в).На рис. 3.11 приведены распределения линейной концентрации вдоль трассы для ИК(а) и УФ (б) импульсов при различных параметрах астигматизма волнового фронта.
Можновидеть, как усиление астигматизма приводит к формированию вначале более протяженногоканала, а затем к разрыву единого канала на две области в окрестности меридионального(переднего, с большей концентрацией электронов) и сагиттального (заднего) фокусов. Приэтом протяженность каналов по уровню −1 возрастала до 20% для ИК излучения.Для выявления зависимости параметров плазменных каналов лазерных пучков с астигматизмом волнового фронта от радиуса пучка была выполнена серия численных экспериментов, в которых радиус менялся от 1 до 2.5 мм при сохранении неизменной пиковой мощностипучка (0 = 5 ).
Положение переднего и заднего фокусов пучка оставалось фиксирован∆= 0.22). В этих условиях увеличение радиуса пучка приводит кным (80 см и 100 см,0более острой астигматической фокусировке. В результате пиковые значения линейной концентрации плазмы вдоль трассы менялись от 2.3 · 1013 см−1 при 0 = 1 мм до 2.3 · 1011 см−1при 0 = 2.5 мм. Нормированное распределение линейной концентрации электронов в— 77 —(а)(б)Рис. 3.11. Линейная концентрация электронов в плазменных каналах ИК (а)∆.и УФ (б) импульсов при разных значениях параметра астигматизма0плазменных каналах, полученное в численном моделировании, представлено на рис. 3.12.При большом радиусе пучка (0 = 2.5 мм) перетяжки вблизи переднего и заднего фокусовоказываются короткими и не перекрываются, в результате формируются две разнесенные впродольном направлении области плазменного канала: с большей линейной концентрациейплазмы в окрестности переднего фокуса и более протяженная, но с меньшей концентрацией, область перед задним фокусом.
С уменьшением радиуса (0 = 2 мм) резко уменьшаетсяпиковое значение линейной плотности плазмы в окрестности переднего фокуса, а максимумлинейной плотности электронов достигается между передним и задним фокусами. Фактически, именно здесь начинает формироваться основная часть плазменного канала. При этом еговторая, более протяженная часть, образуется за задним фокусом на расстояниях 105–130 см.При дальнейшем уменьшении радиуса (0 = 1.5 мм) происходит слияние передней и зад-Рис. 3.12. Плазменные каналы ИК импульса при различных радиусах пучка састигматизмом. Передний и задний фокусы пучка расположены на расстоянии80 см и 100 см, соответственно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
