Диссертация (1105134), страница 30
Текст из файла (страница 30)
5.15. Распределение энергии в поперечном сечении при филаментации когерентных вихревого и безвихревого пучков на разных расстояниях от входнойграни кристалла сапфира при разности фаз между пучками ∆ = 0 (верхний ряд)и ∆ = (нижний ряд).
Размер области изображения равен 150 мкм × 150 мкм.около 0.6 мм. Затягивание образования филамента связано со сложной серпообразной формой области конструктивной интерференции, в которой он возникает (см. рис. 5.15). Приэтом не возникло второй «горячей точки». Второй пик интенсивности поля при ∆ = связано с рефокусировкой, произошедшей в пределах первой «горячей точки». В результатедлина филамента составила около 0.2 см для ∆ = 0, а для ∆ = филамент состоял издвух отрезков длиной около 0.15 см каждый.Рис. 5.16. Изменение максимальной интенсивности излучения при филаментациикогерентных вихревого и безвихревого пучков на разных расстояниях от входнойграни кристалла сапфира при разности фаз между пучками ∆ = 0, .— 123 —Таким образом, результаты численного моделирования находятся в хорошем качественном согласии с экспериментальными.
Азимутальное положение филаментов и их плазменныхканалов определяется фазовыми соотношениями скрещенных пучков. Для проверки справедливости полученных результатов было выполнено численное моделирование взаимодействиявихревого пучка с безвихревым в воздухе.Начальное условие задавалось в виде (5.10) с параметрами 1 = 0.25 мм, 2 = 0.7 мм, = 2, = 0.03∘ , ∆ = 0, . Суммарная энергия составляла 2 мДж, что соответствует примернотой же пиковой мощности, выраженной в критических мощностях самофокусировки, что ив сапфире (около 6 ).Распределения поверхностной плотности энергии приведены на рис. 5.17.
В случае нулевой разности фаз картины распределения энергии почти точно (с точностью до продольногои поперечного масштаба) совпадают с распределением энергии в сапфире (рис. 5.15). В случае разности фаз, равной , так же как и в сапфире, образуется только одна «горячая точка».Совпадение картин распределения энергии показывает возможность качественного исследования взаимодействия филаментов в воздухе, проводя эксперименты в конденсированныхсредах. Количественные параметры филаментов при этом сильно различаются.
Прежде всего, это касается их геометрических размеров. Если в сапфире диаметр филамента составляетоколо 7–8 мкм, то в воздухе он достигает примерно 130 мкм. Продольные масштабы в воздухетакже оказываются примерно на два порядка больше.Также были получены распределения концентрации электронов в плазменных каналахвзаимодействующих пучков в воздухе. Их сечения приведены на рис. 5.18. Видно, что расположение плазменных каналов в целом повторяет структуру филаментов, сечения которых = 0 см18 см28 см46 см56 см71 см100 см = 0 см35 см79 см102 см114 см126 см150 смРис.
5.17. Распределение энергии в поперечном сечении при филаментации когерентных вихревого и безвихревого пучков на разных расстояниях в воздухе приразности фаз между пучками ∆ = 0 (верхний ряд) и ∆ = (нижний ряд).Размер области изображения равен 3 мм × 3 мм.— 124 — = 28 см46 см56 см71 см100 см = 79 см102 см114 см126 см150 смРис. 5.18. Распределение концентрации свободных электронов в поперечномсечении при филаментации когерентных вихревого и безвихревого пучков на разных расстояниях в воздухе при разности фаз между пучками ∆ = 0 (верхнийряд) и ∆ = (нижний ряд).
Концентрация нейтралов равна 0 . Размер областиизображения равен 1.63 мм × 1.63 мм.приведены на рис. 5.17. В частности, при ∆ = формируется только один плазменныйканал, расположенный под углом 0.03∘ к направлению распространения вихревого пучка.При этом пиковая концентрация электронов в нем достигает значения = 5 · 1013 см−3 , чтопримерно на 35% больше, чем концентрация электронов в плазменных каналах при ∆ = 0.На рис. 5.19 представлено распределение линейной концентрации плазмы вдоль направления распространения вихревого пучка.
Видно, что для случая ∆ = локализацияэнергии излучения только в одной «горячей точке» (см. рис. 5.17) способствовало увеличениюлинейной концентрации электронов и протяженности плазменного канала по сравнению сослучаем ∆ = 0, когда формировалось два филамента и плазменных канала. Длины плазменных каналов составили около 16 см для случая ∆ = 0 и около 50 см при ∆ = .
Врезультате полное количество электронов в плазменном канале отличалось более, чем в 3.5раза (= 2.7 · 1012 для ∆ = 0 и = 1013 для ∆ = ).Таким образом, при слабо неколлинеарном взаимодействии двух импульсов с вихревыми безвихревым пучками малое изменение запаздывания (порядка периода колебаний поля)можно использовать для управления азимутальным положением максимумов интерференционной картины, которые впоследствии определят положение образующихся филаментови их возможную динамику, например, образование рефокусировок.
Также от фазовых соотношений между пучками может сильно зависеть концентрация электронов в плазменныхканалах, их протяженность и полное количество электронов в них.— 125 —Рис. 5.19. Изменение линейной концентрации плазмы в плазменных каналахпри филаментации когерентных вихревого и безвихревого пучков на разных расстояниях в воздухе при разности фаз между пучками ∆ = 0, .5.4. Выводы по главе 5Исследовано взаимодействие когерентных скрещенных лазерных импульсов в режимефиламентации.
Обнаружено образование дополнительных филаментов вне плоскости распространения импульсов при взаимодействии синфазных импульсов. Количество дополнительных филаментов зависит от пиковой мощности излучения. Значение максимума поверхностной плотности энергии при взаимодействии в воздухе синфазных филаментов на 25%превышает максимальное значение, достигаемое при распространении двух независимых филаментов.Взаимодействие в режиме филаментации вихревого пучка с безвихревым гауссовым приводит к формированию нескольких филаментов и плазменных каналов, азимутальным положением которых можно управлять вводя малую временную задержку между импульсами.Кроме того, малая временная задержка сильно влияет на концентрацию электронов в плазменных каналах и их протяженность.Результаты моделирования находятся в качественном согласии с экспериментальнымиданными о взаимодействии безвихревых и вихревых и пучков.
Также наблюдается качественное совпадение характера взаимодействия филаментов в воздухе и кристалле сапфира,что позволяет экстраполировать качественные результаты экспериментальных исследованийфиламентации в сапфире на воздушную среду.— 126 —ЗаключениеВ настоящей диссертационной работе проведено всестороннее исследование формирования плазменных каналов при филаментации фемтосекундного лазерного излучения в воздухе. Рассмотрены случаи одиночной и множественной филаментации в сфокусированныхпучках и на протяженных атмосферных трассах с различными фазовыми профилями пучков. Вычислительная трудоемкость решения полной задачи филаментации, а также необходимость набора большой статистики при исследовании филаментации в случайно неоднородной среде потребовали создание пакета программ для эффективного использования ресурсовсовременных суперкомпьютеров с возможностью масштабирования задачи.
Основные научные результаты, полученные по результатам работы, можно сформулировать следующимобразом.1. В результате численного исследования влияния геометрической фокусировки миллиметровых пучков с мощностью в несколько критических мощностей самофокусировки и радиусом фокусировки от 1 м до 20 м на параметры филаментации лазерногоимпульса было обнаружено качественное отличие для излучения ИК и УФ диапазонов.
Изменение фокусировки слабо сказывается на интенсивности в ИК филаменте ипоперечном размере его плазменного канала. Для УФ импульса обострение фокусировки приводит к возрастанию интенсивности и уменьшению диаметра плазменногоканала.2. Предложена модель динамической кривизны волнового фронта лазерного импульса,связанная с прохождением мощного излучения через прозрачные оптические элементы. Показано, что введение динамической кривизны волнового фронта способносущественно сместить точку старта филамента и за счет этого увеличить длину плазменного канала.3.
Численно показано, что слабый астигматизм приводит к удлинению плазменного канала, в то время как сильный астигматизм может привести к его распаду на дваотрезка, расположенных вблизи геометрических фокусов пучка.4. Установлено, что вероятность развития филаментации в турбулентной атмосфере впучке малой мощности (до 3 критических мощностей самофокусировки) падает с увеличением амплитуды турбулентных флуктуаций показателя преломления. При этомсреднее расстояние до старта филамента вначале возрастает, а затем начинает убывать. При большой мощности лазерного пучка (свыше 10 критических мощностей)филамент образуется во всех импульсах, а расстояние до старта филамента монотонно сокращается при увеличении амплитуды флуктуаций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
