Диссертация (1105134), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Линейная концентрация нормирована на максимальное значение вдоль трассы.— 78 —ней частей плазменного канала, и он непрерывно простирается на всем протяжении трассымежду фокусами астигматической линзы, слабо заходя за задний фокус. При наименьшемрадиусе пучка (0 = 1 мм) реализуется режим мягкой фокусировки, характеризуемый формированием однородного в продольном направлении плазменного канала, в начале которогопроисходит резкий рост линейной концентрации плазмы, а затем плавное падение.
При этомв узком пучке плазменный канал начинается ближе всего к входной апертуре лазерной системы.Таким образом, достаточно жесткая фокусировка (0 = 2.5 мм в условиях моделирования)приводит к разрыву канала на две несвязанные области, которые формируются в окрестности переднего и заднего фокусов. При промежуточном значении 0 = 1.5 мм достигаетсянаибольшая длина канала по уровню −1 от максимального значения линейной плотности.В этом случае канал начинается до переднего фокуса и завершается за задним фокусом,простираясь непрерывно на протяжении более 25 см. При дальнейшем уменьшении радиуса (смягчении фокусировки) до 0 = 1 мм длина канала немного уменьшается, а сам каналсдвигается к началу трассы.3.5.2. Экспериментальные измерения плазменных каналов лазерныхимпульсов с астигматическими пучкамиДля проверки установленных в численном моделировании особенностей формированияплазменных каналов при филаментации пучков с астигматизмом волнового фронта былавыполнена серия экспериментов по филаментации УФ импульсов.
Эксперименты были выполнены Л. В. Селезневым и Е. С. Сунчугашевой на той же установке, что и описанные вразделе 3.3. Схема эксперимента приведена на рис. 3.13.Лазерное излучение инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов фокусировалось собирающим зеркалом с фокусным расстоянием 0 = 50 см. При нормальном падении на зеркало это приводило к безаберрационной фокусировке пучка с параболическим волновымРис.
3.13. Схема эксперимента с астигматическими пучками. Лазерное излучение (1) наклонно падает на собирающее зеркало (2) и образует филамент (3) вблизи перетяжки. Его плазменный канал регистрируется измерительной схемой (4)(показаны только электроды). Расстояние между зеркалом и точкой пересечениялучей в плоскости рисунка соответствует меридиональному фокусу , а самаплоскость рисунка является мерридиональной (то есть содержит ось симметриизеркала). Сагиттальная плоскость перпендикулярна ей и содержит главный (центральный) луч отраженного пучка.— 79 —Рис.
3.14. Зависимость положения переднего и заднего фокусов астигматического пучка (штриховая и пунктирная кривые) и параметра астигматизма∆ /0 (сплошная кривая) от угла между падающим и отраженным лучами прифокусном расстоянии зеркала 0 = 50 см.фронтом:0 (2 + 2 ).(, ) =20(3.7)Астигматизм вводился в пучок путем поворота зеркала, так что угол между падающими отраженным лучами равнялся (рис. 3.13). На рис. 3.14 приведена зависимость положения фокусов пучка и в зависимости от угла , который в условиях эксперимента могварьироваться в диапазоне от 0∘ до 45∘ .На рис. 3.15 приведено сравнение полученных в численном моделировании каналов сэкспериментальными данными. Были получены плазменные каналы при слабом и сильном∆астигматизме (параметр астигматизмасоставлял 0.017 и 0.16, что соответствовало зна0чениям = 15∘ и = 45∘ ).Как видно из рисунка, при сравнительно слабом астигматизме плазменный канал состоит из одного целого отрезка, а при усилении астигматизма он разрывается на две области вокрестности меридионального (переднего с большей концентрацией электронов) и сагиттального (заднего) фокусов.
Сравнение экспериментальных и численных зависимостей показывает хорошое согласие в положении плазменных каналов. Однако относительное уменьшениепиковых значений линейной концентрации электронов при увеличении параметра астигматизма в расчетах оказалось существенно больше, чем было зарегистрировано в экспериментальных измерениях.
Одной из причин этого может быть ограниченность используемой в расчетах модели, в которой не учитываются нелинейные возмущения импульса в твердотельныхэлементах лазерной установки. Эти возмущения могут приводить к обсуждавшимся в разделе 3.4 дополнительным динамическим аберрациям волнового фронта пучка как в случаеслабого, так и сильного астигматизма, тем самым сглаживая разницу в пиковых значенияхинтенсивности излучения и концентрации генерируемой им плазмы. Другой возможной причиной может являться релаксация плазмы за время регистрации сигнала в эксперименте,— 80 —Рис.
3.15. Изменение регистрируемого в эксперименте сигнала (точки, левая шкала) и полученная численно линейная концентрация электронов (кривые, правая шкала) вдоль направления распространения импульса . Приведены данныедля сравнительно слабого и сильного астигматизма (угол между падающим и отраженным лучами 15∘ и 45∘ ).которая не учитывается в численной модели.Таким образом, введение астигматизма волнового фронта лазерного пучка излученияфемтосекундной длительности позволяет управлять положением и протяженностью плазменных каналов. Слабый астигматизм приводит к увеличению длины плазменного каналапо сравнению с безаберрационной фокусировкой, а сильный астигматизм может привестик образованию двух каналов, расположенных на оси филамента последовательно друг задругом. При этом более мягкая фокусировка пучка с астигматизмом приводит к слияниюплазменных каналов.3.6.
Выводы по главе 3Исследовано влияние геометрической фокусировки пучка на параметры одиночной филаментации фемтосекундного лазерного импульса при мощности излучения, не превышающейкритическую мощность самофокусировки более, чем на порядок (0 6 10 ). Обнаруженокачественное отличие в поведении пиковой интенсивности в филаменте и поперечных размеров плазменного канала в импульсах ИК ( = 744 нм) и УФ ( = 248 нм) диапазонов.Введение в миллиметровые пучки ИК излучения мягкой фокусировки ( > 5 м, числоваяапертура менее 0.001) практически не влияет на параметры одиночной филаментации. Приболее острой фокусировке (1 м 6 6 5 м, числовая апертура от 0.01 до 0.001) ИК излученияпиковая интенсивность в филаменте снижается на 10%, а диаметр плазменного канала возрастает до двух раз.
Напротив, для УФ излучения введение фокусировки в пучок влияет напараметры филаментации во всем исследованном диапазоне радиусов кривизны и радиусовпучка. При этом интенсивность в филаменте оказывается больше при более острой фокусировке, также как это происходит при фокусировке пучка пучка в линейном режиме, а радиус— 81 —плазменного канала убывает с обострением фокусировки, подобно размеру фокального пятнапри линейном распространении.При сопоставлении результатов численных расчетов с экспериментальными данными оплазменных каналах в сфокусированных пучках обнаружено существенное занижение длины каналов в численном моделировании.
Для объяснения этого предложена модель динамической кривизны волнового фронта, учитывающая прохождение импульсом твердотельныхдиэлектриков. За счет нестационарной фазовой самомодуляции в диэлектрике происходитформирование положительной динамической кривизны волнового фронта, при которой центральные временные слои импульса оказываются сфокусированы сильнее, чем его фронти срез. Обнаружено, что динамическая кривизна волнового фронта способна существенносместить точку старта филамента и за счет этого увеличить длину плазменного канала.Наряду с динамической кривизной численно исследовано влияние астигматизма волнового фронта пучка на филаментацию лазерного импульса.
Показано, что слабый астигматизмприводит к удлинению плазменного канала (до 20% при определенных параметрах), в товремя как более сильный способен привести к разрыву плазменного канала и формированию двух плазменных отрезков вблизи переднего и заднего геометрических фокусов пучка.Результаты численного моделирования находятся в качественном согласии с экспериментальными данными по формированию плазменных каналов в лазерном пучке с астигматизмомволнового фронта.— 82 —Глава 4Филаментация фемтосекундноголазерного излучения на протяженныхатмосферных трассахВ главе проведено исследование самофокусировки и филаментации лазерного излученияна протяженных атмосферных трассах. Установлено, что при малой мощности пучкавероятность развития филаментации убывает с увеличением амплитуды турбулентныхфлуктуаций, при этом среднее расстояние до точки старта филамента и его плазменного канала меняется немонотонно.
Показано, что при большой мощности пучка точкастарта филамента приближается к выходу лазерной системы при усилении турбулентности. Для пучков большего размера это смещение выражено сильнее. Определено, чтовероятность одновременного возникновения нескольких филаментов в мощном пучке максимальна, когда размер пространственных неоднородностей в пучке составляет величинупорядка радиуса пучка. Предложен метод периодизации граничных условий для моделирования филаментации лазерного излучения в широких пучках на протяженных атмосферныхтрассах.4.1.
Особенности филаментации на протяженных трассахЗначительный интерес представляет задача распространения лазерного излучения напротяженных трассах. В случае пучков докритической мощности лазерное излучение испытывает дифракционную расходимость, что не позволяет получить больших пиковых значений интенсивности светового поля, поверхностной плотности энергии и концентрации плазмы на удалении от лазерной системы.
Использование пучков надкритической мощности,испытывающих самофокусировку и филаментацию в воздухе, может позволить сохранитьвысокие значения приведенных параметров излучения на протяжении длинного филамента.При исследовании распространения излучения на протяженных атмосферных трассахзначимым оказывается фактор неоднородности среды. Турбулентные флуктуации плотности и температуры атмосферного воздуха приводят к флуктуациям показателя преломления— 83 —и, как следствие, к фазовым искажениям, вносимым в пучок. В докритическом (квазилинейном) режиме это приводит к уширению пучка в целом [193]. В случае надкритической пиковой мощности импульса турбулентные флуктуации могут оказывать влияние как на процесссамофокусировки, так и на развитие сформировавшегося в пучке филамента. В данной главебудет рассмотрен вопрос о влиянии атмосферных флуктуаций преимущественно на первуюстадию филаментации — самофокусировку лазерного излучения, а развитию образовавшихсяв пучке филаментов будет посвящен раздел 4.5, для чего потребуется использовать особыйметод.При рассмотрении начальной стадии филаментации — этапа самофокусировки излучения — можно использовать стационарную постановку задачи (2.67), рассматривая тем самым распространение только временного слоя с пиковой мощностью вплоть до достиженияим нелинейного фокуса (если он вообще будет образован).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
