Диссертация (1105134), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Длина филамента доходила до 20 м. Используя CCD-камеру, авторы смогли получить радиальное распределение энергии в филаменте;диаметр последнего оказался приближенно равен 80 мкм (FWHM). Энергия, переносимаяфиламентом, была оценена как 0.75 мДж и практически не зависела от энергии импульса.Интенсивность в филаменте была оценена как 7 · 1013 Вт/см2 в предположении, что формаимпульса остается неизменной. Также, следуя подходу [6], была получена оценка концентрации электронов в лазерной плазме 4.5 · 1016 см−3 .Уменьшение длительности лазерных импульсов от наносекундных до фемтосекундныхмасштабов привело к смене доминирующих эффектов, определяющих динамику мощногоизлучения. Для наносекундных импульсов это были эффекты теплового самовоздействия,ветровой рефракции, электрострикционные механизмы.
В течение фемтосекундных импульсов эти эффекты не успевают развиться.При распространении мощного фемтосекундного лазерного излучения в прозрачном диэлектрике показатель преломления среды немного меняется вследствие керровского откликасреды. Можно говорить о формировании фокусирующей керровской линзы.
Это приводитк обратному влиянию на лазерный пучок, который начинает испытывать самофокусировку,что приводит к уменьшению его поперечных размеров и росту интенсивности. Необходимымусловием развития самофокусировки является превышение мощности лазерного излучениякритической мощности самофокусировки , зависящей от параметров среды и длины волны излучения. Для газовых сред величина критической мощности самофокусировки доходитдо нескольких ГВт, для твердотельных сред она составляет единицы МВт. Коллапс пучкаостанавливается, когда интенсивность оказывается достаточной для фотоионизации среды,в результате образуется разреженная плазма свободных электронов. Изменение показателяпреломления среды, связанное с наведенной плазмой, можно рассматривать как появлениедефокусирующей линзы. После прохождения точки образования плазмы, называемой нелинейным фокусом пучка, между фокусирующей керровской и дефокусирующей плазменнойнелинейностями возникает динамический баланс, который приводит к формированию тонкойпротяженной структуры с высокой концентрацией световой энергии — лазерному филаменту [7–9].
Результатом ионизации среды проходящем в режиме филаментации лазерным излучением является образование узкого плазменного канала. Разреженная лазерная плазма,оставшаяся после прохождения фемтосекундного импульса, испытывает релаксацию, характерное время которой составляет порядка нескольких наносекунд и определяется временемскоростью рекомбинации электронов и положительных ионов [10].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 выступатьнеоднородности в начальном распределении энергии в пучке или нерегулярности в распределении показателя преломления в среде, например, турбулентные флуктуации в атмосфере.Вследствие модуляционной неустойчивости [3] флуктуации в распределении энергии в мощ-—5—ном пучке будут нарастать, что приведет к распаду пучка и множественной филаментации.Количество сформированных филаментов будет определяться, в первую очередь, мощностьюизлучения. Так, при распространении излучения лазерной системы Teramobile [11] пиковоймощностью свыше 700 наблюдалось несколько десятков отдельных филаментов.
В [12]было обнаружено существование порогового значения мощности, при превышении которогопроисходит взрывообразный рост числа филаментов, образующихся при распространениимощного лазерного импульса в воде. В то же время в [13] при численном исследовании образования множественных филаментов в плоской волне с начальными возмущениями указывается на насыщение числа филаментов при увеличении интенсивности плоской волны идаже на его снижение при больших интенсивностях.Филаментация сопровождается значительным уширением спектра излучения, котороевозникает из-за фазовой самомодуляции импульса и сильного искажения временного профиля импульса. При этом спектр уширяется как в длинноволновую, так и в коротковолновуюобласти. В [14] наблюдалось уширение спектра вплоть до 4.5 мкм при центральной длиневолны импульса 800 нм.
В [15] нижняя граница спектра доходила до 230 нм. Ввиду стольбольшой ширины спектра излучения говорят о генерации белого света, или суперконтинуума. Эффективность преобразования излучения в суперконтинуум обычно составляет десятыедоли процента. В пространстве излучение суперконтинуума распространяется в виде конуса,осью которого служит направление распространения лазерного пучка. При наблюдении наэкране вокруг пучка регистрируется радужная картина конической эмиссии. В [16, 17] былпродемонстрирован распад этой картины на дискретные кольца, что связано с образованиемцепочки плазменных каналов вдоль филамента.
В [18–21] установлено, что тип дисперсиигрупповой скорости (нормальная, аномальная или нулевая) влияет на развитие филаментации лазерного импульса и во многом определяет структуру колец конической эмиссии. Вслучае аномальной дисперсии групповой скорости при филаментации наблюдается образование так называемых световых пуль (light bullets), нелинейное самосжатие которых компенсируется дисперсионным расплыванием [22, 23]. Влияние поглощения среды на спектральнуюструктуру суперконтинуума исследовано в [24].1.2. Практические приложения филаментацииУникальные особенности лазерных филаментов обуславливают круг их практическихприложений. В работах [25, 26] была продемонстрирована возможность зондирования атмосферы излучением суперконтинуума.
Были получены спектры поглощения газовых компонент атмосферы в диапазоне 680–920 нм с высоты около 4.5 км. Схема зондирования получила название фемтосекундного лидара. Лазерный импульс распространялся в атмосфереи на определенном расстоянии от выхода лазерной системы образовывал филамент. Филамент генерирует излучение суперконтинуума. Рассеянное назад излучение детектируется наповерхности Земли с помощью телескопа. Широкий спектр суперконтинуума позволяет детектировать различные газовые примеси в воздухе за один выстрел. Также метод обладает—6—хорошим пространственным разрешением, определяемым точностью позиционирования филамента.Схожие идеи лежат в основе метода флуоресцентной спектроскопии при многофотонномвозбуждении молекул примесей (Filament Induced Fluorescence Spectroscopy — FIFS).
В [27,28] было осуществлено удаленное зондирование молекул этанола и биоаэрозолей в атмосфере.Спектроскопия пробоя, индуцированная филаментом, (Filament Induced Breakdown Spectroscopy — FIBS) основана на способности высокоинтенсивного излучения филамента ионизировать поверхность твердотельной мишени. Сигнал эмиссии вещества мишени, подверженного абляции лазерным филаментом, может быть использован для определения спектральногосостава мишени, а также для образования дефектов на ее поверхности.
Главным преимуществом филаментации здесь является бездифракционный режим распространения, так чтовысокая интенсивность сохраняется на длительном расстоянии вдоль направления распространения. В [29] на основе технологии FIBS были зарегистрированы спектры ряда металлических поверхностей. В [30] была продемонстрирована возможность наблюдения спектрови повреждения мишени на расстоянии до полутора километров.Высокоинтенсивное излучение филамента может быть использовано для модификациипоказателя преломления различных материалов.
Малый размер филамента в твердотельныхсредах (до 10 мкм) позволяет осуществлять объемную микромодификацию сред. При этоммалая длительность излучения предохраняет систему от перегрева и тепловых деформаций.Использование фемтосекундных импульсов ближнего ИК диапазона для записи элементовмикрооптики в объеме стекла впервые предложено в [31].Высокая интенсивность в филаменте приводит к образованию плазменного канала вследза ним. Наличие в атмосфере разреженной плазмы может быть использовано для управления высоковольтными разрядами.
Проводимость плазмы выше, чем проводимость воздуха,поэтому порог пробоя становится ниже, сам разряд оказывается вытянут вдоль прямолинейного плазменного канала. В [32] зарегистрировано уменьшение порога пробоя на 40%.В [33, 34] предлагалось использовать плазменные каналы для управления грозовыми разрядами.Также в [35] разреженную плазму каналов предлагалось использовать для создания волноведущей системы с целью направленной передачи СВЧ излучения. В эксперименте [36]виртуальный плазменный волновод формировался большим количеством (более 1000) плазменных каналов, образующихся при филаментации кольцевого пучка. Внутрь волновода заводилось излучение с длиной волны 3 см.
При образовании плазменных каналов СВЧ сигналвозрастал в 6 раз по сравнению со свободным распространением.В настоящее время активно исследуются возможности использования фемтосекунднойфиламентации для генерации терагерцового излучения. В основе явления лежит принцип оптического выпрямления при четырехволновом смешении [37–39]. Подробно исследованы направленность генерируемого терагерцового излучения (см., например, [40,41]), влияние электростатического поля вблизи точки старта филамента [42,43], поляризация излучения [44,45].—7—1.3. Измерения плазменных каналов в воздухеВ настоящий момент для измерения параметров плазменных каналов активно используются две основных группы методов: интерферометрические и электрические. Кроме того,в [46] был предложен метод измерения поляризации среды, состояние которой определяетсякак керровским откликом, так и наличием самонаведенной плазмы, основанный на вращенииплоскости поляризации пробного скрещенного с основным лазерного импульса.
Для определения динамики поляризации на фемтосекундных временных масштабах этот метод требуетсверхкороткий пробный импульс (до 10 фс) и стабильную систему синхронизации.Интерферометрические методы основаны на просвечивании плазменного канала пробным импульсом. Плазменный канал для пробного импульса представляет тонкую область сизмененным показателем преломления. Пробный импульс дифрагирует и образует в дальней зоне хорошо различимую систему колец (если пробный импульс распространяется вдольканала — продольная схема [47–50]) или полос (в случае поперечной схемы [51]). Параметры дифракционной картины (расстояние между кольцами или полосами, их интенсивность)позволяют определить параметры плазменного канала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
